[BJT] BJT란?(1)

 

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안녕하세요.

이번 포스에서는 가장 원칙적인 트랜지스터인 BJT(Bipolar Junction Transistor)에 대해 이야기해 보겠습니다. 제 학부 시기에는 주로 전자공학 분야에서는 BJT, 반도체 공정 분야에서는 MOSFET을 많이 다뤘는데 지금도 그런지는 모르겠네요.

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이외에 내용은 아래 포스팅 참고 해주세요.

1. BJT VS FET 구분

https://semicircuit.tistory.com/11

2. (A-1) BJT란? (이미터, 베이스 , 컬렉터)

https://semicircuit.tistory.com/14

3. (A-2) BJT 공정과정

https://semicircuit.tistory.com/15

4. (A-3) NPN BJT VS PNP BJT 차이

https://semicircuit.tistory.com/63

5. (A-4) BJT 특성 곡선, 출력 곡선

https://semicircuit.tistory.com/64

6. (B-1) MOSFET 이란? (소스, 게이트, 드레인)

https://semicircuit.tistory.com/12

7. (B-2) MOSFET 공정 과정

https://semicircuit.tistory.com/13

8. (B-3) N Channel MOSFET VS P Channel MOSFET 차이

https://semicircuit.tistory.com/65

9. (B-4) MOSFET 특성 곡선, 출력 곡선

https://semicircuit.tistory.com/66

 

 

 

 

BJT(쌍극성 트랜지스터)는 전기 및 전자 회로에서 중요한 부품으로 사용됩니다. 주로 증폭, 스위칭, 안정화 등의 목적으로 사용됩니다. BJT는 전자 공학 및 응용 분야에서 여전히 중요한 부품으로 남아 있으며, 제조 기술의 발전과 새로운 응용 분야의 발견으로 인해 더욱 다양한 용도로 확대될 것으로 예상됩니다.

<<MOSFET과 BJT의 차이는 아래 포스트를 참고해 주세요>>

[트랜지스터]BJT VS FET 구분

 

 

 

※1. BJT란? 

BJT는 "Bipolar Junction Transistor"의 약자로, 3개의 반도체를 연속으로 접합 시킨 구조의 트랜지스터로 쌍극성(양극성) 접합 트랜지스터라고 합니다. 이는 전자 소자로서, 전기 신호를 증폭하거나 전기 회로에서 제어하는 데 사용됩니다. BJT에는 극성의 위치에 따라서 NPN 및 PNP 두 가지 주요 종류가 있습니다.

BJT는 Base, Collector, 그리고 Emitter의 세 개의 터미널을 갖고 있습니다:

Base는 주로 전류의 입력으로 사용되며, Collector는 주로 출력으로 사용되며, Eimmier는 Collector에 전달된 전자를 수집합니다.

BJT는 반도체 소자이며, 다양한 전자 기기와 회로에서 널리 사용됩니다. 예를 들어, 앰프, 스위치, 오실레이터 등 다양한 응용 분야의 발견으로 인해 더욱 다양한 용도로 확대될 것으로 예상됩니다.

 

▶1. 3 Terminal

: BJT에는 소자의 동작을 좌우하는 3개의 터미널 Emitter-Base-Collector가 있습니다. (MOSFET의 경우 Gate-Source-Drain)

 

[ 3 Terminal ]

- 에미터 (Emitter):

• 에미터는 BJT의 주입된 캐리어(전하를 운반하는 이온이나 전자)를 방출하는 역역입니다.
• 주로 다수 캐리어(전자)를 방출합니다.
• NPN 구조에서는 P 형으로 도핑 되어 있고, PNP 구조에서는 N 형으로 도핑 되어 있습니다.

- 베이스 (Base):

• 베이스는 BJT의 주요 제어 영역입니다. 베이스에 주입된 전압이 BJT의 작동을 제어합니다.
• 에미터와 컬렉터 사이의 전류 흐름을 제어하는 역할을 합니다.
• 일반적으로 매우 얇은 레이어로 구성되어 있습니다.

- 컬렉터 (Collector):

• 컬렉터는 에미터에서 방출된 캐리어를 수집하는 역할을 합니다.
• 에미터와 컬렉터 사이의 전류 흐름을 담당합니다.
• 주로 많은 수의 캐리어(전하를 운반하는 이온이나 전자)를 수집합니다.
• NPN 구조에서는 P 형으로 도핑 되어 있고, PNP 구조에서는 N 형으로 도핑 되어 있습니다.

 

▶ 2. Bipolar Junction

쌍극성 접합 트랜지스터(BJT)에서의 "접합"은 전자공학에서 pn 접합을 가리킵니다. pn 접합은 쌍극성 트랜지스터의 기본 구성 요소 중 하나이며, 다음과 같이 두 종류의 반도체 물질이 접촉되어 있는 부분을 의미합니다.

1. 베이스-에미터 접합 (Base-Emitter Junction):

• BJT의 에미터와 베이스 사이의 pn 접합입니다.
• 에미터와 베이스 사이의 pn 접합은 전자의 주입을 허용합니다. 에미터에서 베이스로 전자가 주입되면 베이스-에미터 접합을 통해 전류가 흐릅니다.
• 베이스-에미터 접합은 쌍극성 트랜지스터의 주요 작동 메커니즘 중 하나인 에미터 주입 효과를 발생시킵니다.

2.베이스-컬렉터 접합 (Base-Collector Junction):

• BJT의 베이스와 컬렉터 사이의 pn 접합입니다.
• 베이스와 컬렉터 사이의 pn 접합은 컬렉터 전류의 흐름을 제어합니다. 이 접합은 전자가 컬렉터로 흘러가는 역전파 현상을 허용합니다.
• 베이스-컬렉터 접합은 BJT의 기본 작동 중 하나인 역전파 모드에서 역할을 합니다.

 

※2. 3가지 동작영역 (3-Mode Region)

▶ 1. Cut Off (=차단) Region:

• 이 영역에서는 베이스-에미터 사이에 전류가 흐르지 않습니다.
• 콜렉터-에미터 전압이 낮아 콜렉터-베이스 접합에서 전류가 흐르기 힘듭니다.
• BJT는 끄는 상태에 있으며, 전류 증폭 동작에 사용되지 않습니다.

 

▶ 2. Active (=활성) Region:

• 충분한 콜렉터-에미터 전압과 적절한 베이스 전류가 주어지면 콜렉터-베이스 사이에 전류가 잘 흐릅니다.
• 콜렉터 전류는 베이스 전류의 큰 배수로 증폭됩니다.
• 활성 영역에서는 BJT가 일반적으로 사용되며, 선형 증폭 및 신호 처리에 적합합니다.

 

▶ 3. Saturation (=포화) Region:

• 이 영역에서는 콜렉터-에미터 전압이 충분히 낮아서 콜렉터-베이스 사이에 전류가 흐를 수 있스빈다.
• 콜렉터 전류는 콜렉터-에미터 전압에 거의 더 이상 반응하지 않습니다.
• 이 영역에서는 BJT가 스위치로 동작하며, 전류가 최대로 흐릅니다.
• 포화 영역은 주로 스위칭 애플리케이션에 사용됩니다.

 

 

 

 

 

※3. BJT 기본 구동 원리

▶1. BJT의 작동 원리

(1) NPN Transistor

1. Foward Bias: 베이스와 이미터 사이에서 캐리어들이 결합하면서 작은 전류가 흐른다.

: Emitter와 Base 사이에 순방향 전압을 걸어주면 Emitter를 통해 전자가, Base를 통해 정공이 들어가게 됩니다. 이에따라 소자내에 전계적인 변화(정전기적 척력)가 생기고 평형상태(Equilibrium)가 깨짐에 따라 Emitter의 n-type 반도체에 있는 전자는 Base의 p-type 정공쪽으로, Base의 p-type 반도체 있는 정공은 Emitter의 n-type으로 이동하게 됩니다.

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이때 각 전자와 정공이 만나면서 결합을 하게 되면서(전자가 정공의 자리를 메웁니다) Emitter와 Base 사이에 전류가 흐르게 됩니다. 다만 Base단의 두께는 수 마이크로미터에서 수 나노미터로 구성되어 있고 Emitter의 전자수에 비해 Base의 정공수는 턱없이 적기 때문에 많은 결합을 이루지는 못하고 적은 양의 전류가 흐르게 할 수 있습니다.

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2. Reverse Bias: 컬렉터와 이미터부터의 이동한 캐리어들이 결합하면서 큰 전류가 흐른다.

이에 따라 Base와 Collector 사이에 Foward Bias 대비 더 큰 Reverse Biase를 인가해 주면 앞서 Emitter에서 이동하는 전자가 일부 결합 이후 얇은 Base를 뚫고 Collector에 주입되는 정공과 만나 더 많은 결합을 이루면서 이전보다 더 큰 전류를 흐르게 합니다.

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(2) PNP Transistor

1. Foward Bias: 베이스와 이미터 사이에서 캐리어들이 결합하면서 작은 전류가 흐른다.

: Emitter와 Base 사이에 순방향 전압을 걸어주면 Emitter 쪽 p형 반도체는 정공, Base 쪽 n형 반도체에는 전자가 주입되고 NPN TR과 동일하게 정전기적 척력에 의해 서로의 방향으로 이동하다가 전자와 정공이 결합하게 됩니다. 이때 전류가 발생하지만 역시 매우 얇은 Base 단에 의해 매우 크기는 작습니다.

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2. Reverse Bias: 컬렉터와 이미터부터의 이동한 캐리어들이 결합하면서 큰 전류가 흐른다.

Base와 Collector 사이에 역방향 전압을 주입해 줌으로써 동일하게 Base를 뚫고 나온 정공이 Colletor 쪽의 전자와 더 많은 결합을 이뤄낼 수 있고 이에 따라 더 많은 전류가 발생합니다.

 

 

 

 

※4. Symbol 

이상으로 BJT에 대한 이론 설명을 마치겠습니다. 속편으로 BJT 공정 과정, BJT 특성 곡선에 대한 포스트도 남길 예정입니다.

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추후 MOSFET에 대한 설명도 마무리할 예정입니다. 미래에 계신 분들은 비교하면서 보시길 추 전 드립니다.

 

 

 

 

이상으로 ~에 대해 마치겠습니다. 감사합니다.