2. BJT(Bipolar Junction Transistor)

npn BJT를 기준으로 작성하겠습니다.

0. 사전지식

 ① npn BJT를 기준으로 작성했습니다.

 ② emitter의 도핑농도는 collector보다 높습니다.

 ③ base는 collector, emiiter에 비해 굉장히 얇습니다.

 

1. NPN BJT의 구조

그림1. BJT 구조와 symbol

NPN BJT는 그림1 과 같은 구조와 symbol은 가집니다.

좀더 physical한 모습은 아래 그림2 와 같습니다.

그림2. BJT top view(왼쪽)와 cross section(오른쪽)

 cross section의 빨간색 네모 부분에서 동작 시킵니다.

 

2. NPN BJT의 동작 방식

그림3. NPN BJT with bias

BJT를 동작 시키기 위해서는 그림3 처럼 collector와 base에는 reverse bias를(즉 Vce>Vbe 여야 겠죠?), base와 emitter사이에는 forward bias를 줍니다.

 

그럼 이전 PN 접합 글에서 알 수 있듯이 base와 emitter접합부의 built in potential은 감소하게 됩니다.

따라서 emitter의 많은 전자들이 base로 diffuse 하게 됩니다. carrier를 emit하게 되어서 emitter가 되는 거죠.

 

 

 

 

그림4. NPN BJT base-collector

그럼 PN Junction의 그림을 가져와서 설명을 드리겠습니다.

base가 굉장히 얇기 때문에 대부분의 전자들은 collector-base의 depletion region에 도달하게 됩니다. 그리고 collector-base의 built in potential에 의한 전기장 영향 아래 놓이게 되죠. 따라서 전자들이 collector로 이동하게 됩니다.

carrier를 모았기 때문에 이번에는 collector가 되는 겁니다.

 

그럼 base-collector가 왜 reverse bias여야 하는지 해결할 수 있습니다. 이해가 안되면 이전에 쓴 PN Junction의 reverse bias부분 보시면 됩니다.

또한 왜 emitter의 농도가 높아야 하는지도 알 수 있게 됐습니다.

 

지금까지 설명한 방식으로 BJT가 동작하시단고 보시면 됩니다.

PNP BJT도 같은 방식입니다.

 

collector에 흐르는 전류방정식은 아래와 같습니다.

수식1.

Vt는 thermal voltage이고 Is는 특정 공정안에서 상수입니다. 즉 collector current는 base와 emitter사이의 전압에 관한 함수입니다.

2. NPN BJT 누설 전류

emitter에서 base로 전자들이 diffuse한다고 위에서 설명했습니다.

하지만 이 때 base에서 emitter로 hole들도 diffuse합니다. 이 hole들의 개수는 diffuse한 전자들의 일정 비율만큼의 값을 가집니다.

그리고 이렇게 반대 방향으로 hole과 전자들이 움직이면서 서로 recombination을 하기도 합니다. 이를 그림으로 표현하면 아래와 같습니다.

그림5. NPN BJT leakage current

화살표의 굵기가 carrier들의 양이라고 생각하시면 되겠습니다. 

hole들은 전자들과 recombination하여 양이 줄어든 상태로 emitter에 도달하게 됩니다.

반대로 emitter의 전자들은 hole과 recombination하여 양이 줄어든 상태로 collector에 도달하게 됩니다.

 

즉 collector에 흐르는 전류는 아래와 같습니다.

수식2.

β>>1인 상수로 Ib가 Ic의 일정 비율만큼의 값을 가진다는 것을 표현하기 위한 상수입니다.

3. Early Effect

BJT의 nonideality 입니다.

collecor의 전압이 증가하면 collector에 흐르는 전류가 미세하게 증가하는 현상입니다.

간단하게 설명하면, collecotr전압이 증가하면 collector-base사이의 depletion region이 증가합니다.

그럼 base의 depletion region을 제외한 부분인 effective base width가 얇아진다는 뜻입니다.

얇아졌으니 전자가 emitter에서 collector로 더 넘어가기 쉬워집니다. 따라서 전류가 증가하게 됩니다.

 

따라서 수식1은 이상적인 경우였고, 비이상적인 경우 collector current의 수식은 아래와 같습니다.

수식3.

VA는 Early Voltage로 상수입니다.

 

 

오류지적 환영합니다.