트랜지스터는 어떻게 작동합니까
트랜지스터는 어떻게 작동하는가?
트랜지스터의 정의
트랜지스터는 전기 신호를 증폭하거나 스위칭하는 반도체 장치로 정의됩니다.
다양한 종류의 트랜지스터가 있지만 여기서는 공통 에미터 모드의 NPN 트랜지스터에 집중하겠습니다. 이 유형은 많은 자유 전자(주요 캐리어)를 포함하는 고농도이고 넓은 에미터 영역을 가지고 있습니다.
콜렉터 영역은 넓고 중간 정도로 도핑되어 있어 에미터보다 적은 수의 자유 전자를 가지고 있습니다. 베이스 영역은 매우 얇고 가볍게 도핑되어 있으며 소수의 구멍(주요 캐리어)을 가지고 있습니다. 이제 에미터와 콜렉터 사이에 하나의 배터리를 연결합니다. 트랜지스터의 에미터 단자는 배터리의 음극 단자에 연결되므로 에미터-베이스 접합부는 전방향 바이어스되고 베이스-콜렉터 접합부는 역방향 바이어스됩니다. 이러한 조건에서는 장치를 통과하는 전류가 흐르지 않습니다. 장치의 실제 작동으로 넘어가기 전에 NPN 트랜지스터의 구성 및 도핑 세부 사항을 다시 한번 상기해 보겠습니다. 여기서 에미터 영역은 넓고 매우 높은 도핑을 받았으므로 이 영역의 트랜지스터에서 주요 캐리어(자유 전자)의 농도가 매우 높습니다.
반면에 베이스 영역은 몇 마이크로미터 범위로 매우 얇으며 에미터와 콜렉터 영역은 밀리미터 범위입니다. 중간 p-type 레이어의 도핑은 매우 낮아 이 영역에는 매우 작은 수의 구멍만 존재합니다. 콜렉터 영역은 이미 언급했듯이 넓고 중간 정도로 도핑되어 있어 중간 수준의 자유 전자가 이 영역에 존재합니다.
에미터와 콜렉터 사이에 적용된 전압은 두 곳에서 떨어집니다. 첫째, 에미터-베이스 접합부는 실리콘 트랜지스터에서 약 0.7볼트의 전방향 장벽 전위를 가지며 나머지 전압은 베이스-콜렉터 접합부에서 역방향 장벽으로 떨어집니다.
장치에 걸리는 전압이 무엇이든 간에 에미터-베이스 접합부의 전방향 장벽 전위는 항상 0.7볼트이며 나머지 소스 전압은 베이스-콜렉터 접합부에서 역방향 장벽 전위로 떨어집니다.
이는 콜렉터 전압이 전방향 장벽 전위를 극복할 수 없다는 것을 의미합니다. 따라서 에미터의 자유 전자는 베이스로 건너갈 수 없습니다. 결과적으로 트랜지스터는 오프 스위치처럼 작동합니다.
참고: - 이 상태에서는 트랜지스터가 이상적으로 어떤 전류도 전도하지 않으므로 외부 저항에서 전압 강하가 없으며 전체 소스 전압(V)은 위 그림에서 보여지는 것처럼 접합부에서 떨어집니다.
이제 장치의 베이스 단자에 양의 전압을 적용하면 어떻게 되는지 살펴보겠습니다. 이러한 상황에서는 베이스-에미터 접합부가 개별적으로 전방전압을 받게 되고 확실히 이는 전방 포텐셜 장벽을 극복할 수 있으므로 에미터 영역의 주요 캐리어, 즉 자유 전자는 접합부를 건너 베이스 영역으로 들어가서 매우 적은 수의 구멍과 재결합합니다.
그러나 접합부를 가로지르는 전기장 때문에 에미터 영역에서 이동하는 자유 전자는 운동 에너지를 얻습니다. 베이스 영역은 매우 얇아 에미터에서 오는 자유 전자가 충분한 시간을 갖지 못하고 역방향 바이어스된 소진 영역을 건너 결국 콜렉터 영역으로 옵니다. 베이스-콜렉터 접합부에 역방향 장벽이 있지만 베이스 영역의 자유 전자는 소수의 캐리어이므로 콜렉터로의 자유 전자의 흐름을 방해하지 않습니다.
이렇게 하면 전자가 에미터에서 콜렉터로 흐르고 따라서 콜렉터-에미터 전류가 흐릅니다. 베이스 영역에 몇 개의 구멍이 있으므로 일부 전자는 구멍과 재결합하여 베이스 전류를 기여합니다. 이 베이스 전류는 콜렉터-에미터 전류보다 훨씬 작습니다.
일부 전자는 에미터에서 베이스 전류를 기여하며 대부분은 콜렉터를 통과합니다. 에미터 전류는 베이스 전류와 콜렉터 전류의 합입니다. 따라서 에미터 전류는 베이스 전류와 콜렉터 전류의 합입니다.
이제 적용된 베이스 전압을 증가시켜 보겠습니다. 이러한 상황에서는 에미터-베이스 접합부의 증가된 전방전압으로 인해 더 많은 자유 전자가 에미터 영역에서 베이스 영역으로 더 큰 운동 에너지를 가지고 오게 됩니다. 이로 인해 콜렉터 전류가 비례적으로 증가합니다. 이렇게 작은 베이스 신호를 제어함으로써 상당히 큰 콜렉터 신호를 제어할 수 있습니다. 이것이 트랜지스터의 기본적인 작동 원리입니다.
