BJT란?

1. BJT란?

○ N형과 P형으로 도핑된 3개의 반도체 영역(예를 들어 NPN 또는 PNP)으로 구성된 반도체 소자입니다.

○ Diffusion에 의한 전류를 증폭 성질을 갖고 있으며, 보통 이러한 성질을 이용하기 위해 사용하는 소자입니다.

2. BJT의 구성

○ BJT는 이미터(E), 베이스(B), 콜렉터(C)로 구성되어 있습니다.

 

○이미터 : 캐리어를 공급하는 단자로, 불순물 농도를 가장 높게 도핑해 줍니다.

 

○베이스 : 캐리어가 모이는 정도를 조절하는 단자입니다. 즉 전류의 흐름을 제어하는데 사용하는 단자이며, 매우 얇게 만들어 주어야 합니다. 이 이유는 베이스에서는 전자와 정공이 재결합을 하는데 이를 최소화시키기 위해서입니다.

 

○콜렉터 : 캐리어가 모이게 되는 단자로 불순물 농도가 가장 낮게 도핑됩니다.

3. BJT의 접합

접합 과정은 PN 다이오드의 과정과 같습니다. BJT 자체가 2개의 PN 접합으로 이뤄진 반도체이기 때문입니다.

이러한 BJT의 접합 순서 및 원리는 다음과 같습니다.

1) P형 반도체와 N형 반도체 각각 존재

PN 접합을 하기 위해서 가장 먼저 P형 반도체와 N형 반도체가 각각 준비합니다. 이 때 P형 반도체 내에는 정공(Hole)을 다수 캐리어로 갖고 있고, N형 반도체 내에는 전자(Electron)를 다수캐리어로 갖고 있습니다.

따라서 그림과 같은 캐리어의 분포와 밴드갭이 형성되게 됩니다.

2) PN 접합시 초기 캐리어의 변화 – 캐리어의 농도차에 의한 확산 운동

PN 접합이 일어난 직후에 그림입니다. P형 반도체 내 다수 캐리어인 정공이 N형 반도체 쪽으로 이동하고, N형 반도체 내 다수캐리어인 전자가 P형 반도체 쪽으로 이동하며 확산 운동하게 됩니다.

3) PN 접합시 캐리어의 변화 – 확산 운동에 의한 전기장 형성

PN 접합이 하고 확산 운동이 시작되면 접합면 주변으로, P형 반도체 영역에서 전자를 받아들여 음이온이 만들어집니다. 반면 N형 반도체 영역에서는 전자를 내주어 양이온이 만들어집니다.

이렇게 양이온과 음이온은 PN 접합면 주변에 존재하고 이를 공핍층이라고 부릅니다.

 

캐리어의 확산이 진행될수록 공핍층이 계속해서 커지게 되는데,

이 공핍층 내에 양이온에서 음이온으로 향하는 전기장이 생성합니다.

그리고 이러한 전기장은 공핍층의 크기에 비례하여 계속해서 커집니다.

 

이 전기장으로 인해 캐리어의 확산과 반대방향으로 Drift 전류가 생기게 됩니다.

4) PN 접합의 완료 시점 – 전기장이 세지게 되고 확산 운동이 중지

확산으로 인한 확산 전류의 세기와 공핍층에 의해 생성 된 드리프트 전류의 세기가 같은 지점입니다.

더 이상 공핍층의 크기는 증가하지 않으며, 평형 상태에 있게 됩니다.

4. BJT 동작모드

BJT는 4가지 조합으로 그 동작을 설정할 수 있습니다.

1) 평형상태(Equilibrium Mode)

○ BJT에 전압을 인가하지 않은 상태로 밴드갭 전 영역에서 페르미 준위가 일정합니다.

○ 밴드갭에 의해 전류가 흐르지 못합니다.

2) 포화상태(Saturation Mode)

○ B-E 접합 바이어스와 B-C 접합 바이어스 모두 순방향 바이어스를 인가한 상태입니다.

○ BJT 에너지 밴드 전체에서 밴드갭이 낮아져 전류가 매우 잘 흐르는 상태입니다.

○ 차단의 상태와 같습니다.

3) 차단 상태(Cutoff Mode)

○ B-E 접합 바이어스와 B-C 접합 바이어스 모두 역방향 바이어스를 인가한 상태입니다.

○ BJT 에너지 밴드 전체에서 밴드갭이 매우 커져서 전류가 흐르지 않습니다.

○ 개방의 상태와 같습니다.

4) 동작상태(Active Mode)

○ 실제로 BJT를 사용하는 방식입니다.

○ B-E 접합 바이어스에 순방향 바이어스를 B-C 접합 바이어스에 역방향 바이어스를 인가합니다.

○ 이미터로 들어간 전류가 증폭되어 콜렉터로 빠져나갑니다.

○ 여기서 공통 이미터에서 콜렉터 전류가 베이스 전류에 대해 증폭되는 비율을 베타(β)라고 합니다.

○ 이를 공식으로 나타내면 아래와 같습니다.