Bipolar Junction Transistor 의 구조와 동작원리

PN 접합 다이오드는 전류나 전압을 정류하는 기능은 가지나, 입력 전류나 전압의 크기를 크게 하는 증폭 기능은 없습니다. 하지만 BJT는 다른 회로소자와 결합하여 전류와 전압을 증폭하여 이득을 증가합니다.

 

오늘날 CMOS 집적회로(IC)의 사용이 보편화되고 있음에도 불구하여, BJT는 고주파 특성이 우수하고 다양한 소자 선택이 가능하여 여전히 널리 사용되고 있는 중요한 소자입니다.

 

1. 기본 구조

BJT는 N형과 P형으로 도핑된 세 개의 반도체 영역과 이들에 의해 형성되는 두 개의 PN 접합으로 구성됩니다. 각 도핑 영역은 외부로 단자가 연결되며, 각각 에미터, 베이스, 컬렉터라고 불립니다. 이 셋의 도핑 형태에 따라 NPN, PNP형으로 구분됩니다.

 

에미터 영역은 전류운반 캐리어(전자 또는 정공)를 제공하고, 베이스나 컬렉터 영역에 비해 불순물 농도가 가장 높게 도핑되며, 컬렉터는 베이스 영역을 지나온 캐리어가 모이는 영역으로 농도가 가장 낮게 도핑됩니다.

 

베이스 영역은 에미터에서 주입된 캐리어가 컬렉터로 도달하기 위해 지나가는 영역으로 중간 정도의 도핑 농도를 가지며, BJT의 전류 증폭률을 크게 만들기 위해 폭이 매우 얇게 만들어집니다.

 

2. 동작원리

NPN형 BJT를 올바르게 작동시키기 위해서는 베이스-에미터 영역에는 순방향 바이어스를 인가하고, 베이스-콜렉터 영역에는 역방향 바이어스를 인가하는 것이 필요합니다.

 

순방향 전압을 걸어주었을 때는 PN접합이 순방향 바이어스 된 것과 같아 다이오드와 비슷하게 작동합니다. 그러다가 베이스-콜렉터에 역방향 바이어스가 걸렸을 때에는 대다수의 전자들이 높은 전압이 걸린 콜렉터 쪽으로 끌려갑니다. 이를 통해 증폭을 하는 것입니다.

 

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NPN형 BJT는 베이스가 P형이고 이미터가 N형이므로 베이스에서 이미터로 향하는 화살표로 NPN형 BJT임을 알 수 있다. PNP형 BJT는 베이스가 N형이고 이미터가 P형이므로 이미터에서 베이스로 향하는 화살표로 알 수 있다. 쉽게 말하면, BJT의 회로기호에서 이미터의 화살표 방향이 이미터-컬렉터 사이에 흐르는 전류의 방향을 나타냄을 알 수 있다.

 

 

3. BJT의 동작모드

PN접합은 바이어스에 따라 순방향 또는 역방향 두 가지 동작모드를 가지므로 2개의 PN접합으로 이루어지는 BJT는 바이어스 조건에 따라 4가지 동작모드를 갖습니다.

 

1) cutoff 영역

베이스에 전압을 걸어주지 않은 상태를 cutoff 영역이라 합니다. 베이스에 전류가 흐르지 않으면, 이론적으로는 컬렉터 전류가 흐르지 않지만 실제로는 약간 흐릅니다.

 

2) 포화 영역 (saturation region)

베이스-에미터에 순방향 전압을 걸어주어 문턱전압이 걸리게 합니다. 입력전압을 점점 높혀주면 컬렉터-에미터 전압이 따라서 증가하게 됩니다.

 

이 때 베이스에서 컬렉터로 넘어가는 전자들이 별다른 저항없이 순조롭게 넘어가게 되는데 이 영역을 포화 영역이라고 합니다. 즉 컬렉터-에미터 전압이 증가함에 따라 컬렉터 전류가 일정하게 유지 되기 전까지 증가하게 되는 영역을 말합니다.

 

3) 활성 영역(active region)

이 영역은 베이스-에미터 전압은 순바이어스 상태로 베에스-에미터 접합에 인가한 상태고 에미터 전자들은 방출하여 양으로 바이어스된 콜렉터에 모여집니다. 콜렉터는 베이스-컬렉터 전압이 음일 때 즉 역방향 바이어스일 때 베이스와 비교해서 양으로 바이어스 되어있습니다.

 

즉 만약 베이스-에미터 접합이 순바이어스 상태이고 베이스-콜렉터 접합은 역바이어스 상태일 때 bjt는 활성 영역에 있고 전압제어 전류원으로 동작합니다.

 

4) 항복영역(breakdown region)

베이스 컬렉터는 pn 접합이므로, 역방향 전압이 너무 커지만 다이오드처럼 에벌랜치 항복이 발생하고 고장 납니다. 때문에 모든 bjt 데이터시트에는 컬렉터-베이스 항복전압을 적어둡니다. 이 영역을 항복영역이라고 합니다.

 

 

4. BJT 증폭회로

가장 많이 사용되는 것이 CE방식입니다. 전압과 전류 모두 증폭되고 또한 입출력이 서로 반전되기 때문에 위상 반전용으로 많이 사용됩니다. 고주파 증폭회로의 경우에는 CB도 많이 사용됩니다.

 

다만 입력임피던스가 낮고 전류증폭이 없기 때문에, 단독으로 사용하는 것보다 CC와 함께 사용하여 전압증폭은 CB에서 맡고 전류증폭은 CC에서 처리합니다. CC는 전압이득은 없고 전류이득만 있기 때문에 주로 대 출력단 마지막에 사용됩니다.

 

	입력임피던스	출력임피던스	위상	고주파특성	전압이득	전류이득	전력이득
CE	중	중	반전	중	중	중	대
CB	낮음	낮음	동상	좋음	대	1이하	낮음
CC	높음	낮음	동상	좋음	1이하	대	중