BJT (Bipolar Junction Transistor)
작성일 : 2023년 08월 10일 (Thursday)
동작 원리
BJT에서 전류의 흐름은 2가지 요인이 존재한다. 1번은 에미터에서 베이스로 에미터의 다수캐리어의 이동, 그리고 2번은 베이스에 콜렉터로의 베이스의 다수캐리어의 이동 이다. BJT는 에미터의 도핑 농도를 아주 높게 하고, 베이스의 농도를 작게하기 때문에 전류 흐름에 기여하는 정도를 비교했을 때, 1번이 기여하는 바가 2번보다 훨씬 크다.
여기서 설명을 진행하기 위해서 각 기호에 대한 정의를 해놓고 넘어가자.
에미터에서 다수캐리어가 베이스로 넘어가게 되면 베이스에서는 그 다수캐리어가 소수캐리어에 해당되기 때문에 베이스의 다수캐리어와 만나서 소멸될 수 있지만, 베이스의 도핑농도는 매우 낮고 또 매우 얇게 생성되기 때문에 그 수는 매우 적은 편이다. 따라서, 아래 그림과 같이 에미터에서 베이스로 넘어간 다수캐리어의 대부분은 베이스에서 콜렉터로 넘어간다.
성능지표
BJT는 성능을 평가하기 위해서 \(\alpha\) 와 \(\beta\)를 사용한다. \(\alpha\)는 컬렉터 전류를 에미터 전류로 나눈 값으로 에미터에 주입된 다수 캐리어가 컬렉터까지 얼마만큼 전달되었는지를 나타낸다. \(\beta\)는 에미터 전류를 베이스 전류로 나타낸 값으로 베이스 전류(누설 전류)가 얼만큼 작은지를 나타낸다. \(\alpha\), \(\beta\)가 클수록 좋다.
회로기호
BJT의 회로 기호는 아래와 같다. 그림에는 표현되어 있지 않지만 에미터는 콜렉터보다 더 높은 농도로 도핑시킨다. 그 이유는 트랜지스터는 방향성이 있고, 더 많은 캐리어를 공급함으로써 증폭비를 높이기 위해서다.
NPN 트랜지스터에서는 이름에서부터 알 수 있듯 전자가 다수 캐리어이고, PNP 트랜지스터에서는 정공이 다수 캐리어이다. NPN BJT에서는 $V_{BE}$와 $V_{CE}$는 모두 순방향으로 바이어싱한다. PNP BJT 역시 마찬가지로 사용된다. 자세한 동작 원리는 아래 응용 내용을 참조하자.
동작 모드
BJT는 전류를 증폭할 때(Active Mode) 사용하기도 하고, 릴레이처럼 ON/OFF 스위치(Saturation Mode/Cut-off Mode)로 사용하기도 한다.
| Mode | EBJ | CBJ |
|---|---|---|
| CutOff | Reverse | Reverse |
| Active | Forward | Reverse |
| Saturation | Forward | Forward |
위에서 동작원리를 설명할 때 모두 EBJ, CBJ가 모두 순방향 바이어스 상태인 Saturation을 기준으로 설명했다. 순방향 바이어스에 의해서 에미터에서 베이스로 전자(다수캐리어)가 생성되고, 그 전자가 순방향 바이어스에 의해서 컬렉터로 더 빠르게 휩쓸려가는 형태가 Saturation이다. 컬렉터에 역방향 바이어스를 걸면, 전자가 넘어오는 것을 방해하기 때문에 역방향 바이어스의 크기에 따라서 전류량이 조절되는 Active Mode로 동작한다. 그리고, EBJ에 역방향 바이어스를 걸면 애초에 전류가 만들어지지 않기 때문에 Cut-Off 동작을 수행한다.
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사용방법
BJT는 트랜지스터이기 때문에 이 \(\alpha\) 를 고려해서 에미터와 컬렉션에 걸리는 전압에 따라서 저항을 제어할 수 있다. BJT는 누설전류가 커서 스위치보다는 트랜지스터로서 사용된다. 공통 에미터 구성, 공통 베이스 구성, 공통 콜렉터 구성 등으로 사용된다.
- 참고 사이트
- Microelectronic Circuits - Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith
- Transistors, sparkfun - JIMBLOM
- Bipolar transistor biasing, Wikipedia
