반도체 소자 [4] BJT(Bipolar Junction Transistor)

 

반도체 소자 [3] 다이오드 (2) 금속 - 반도체 접합 (MS junction)

 

 

BJT는 가장 먼저 개발된 트랜지스터 소자이다. 트렌지스터는 Trans + Resistor를 합친 말로, 특정 조건에 따라 저항이 변하는 소자를 의미한다. 따라서, 입력 조건인 전압이나 전류에 의해 소자에 흐르는 전류량을 변화시키는 소자를 트랜지스터라고 한다.

 

BJT(Bipolar Junction Transistor)

 

 

 BJT는 Bipolar Junction Transistor의 약자로, Junction이 2 개 있는 트랜지스터 소자를 의미한다. 접합이 하나인 PN 접합이 합쳐져 NPN, PNP 꼴로 접합이 2개인 두 가지 형태로 존재한다.

 

 NPN BJT의 경우 두 n형 반도체 중 도핑이 더 높은 영역을 이미터(Emitter)라고 하며, 낮은 n형 반도체는 콜렉터(Collector)라고 한다. 이 둘 사이의 p형 반도체는 베이스(Base)라고 한다. PNP는 이와 반대라고 생각하면 된다.

 

PNP BJT의 모습

 

 

BJT의 구조와 회로도의 모습

 

 NPN BJT의 다이어그램을 그려보자.

NPN BJT의 에너지 밴드 다이어그램

 

 Emitter가 Collector보다 도핑 농도가 낮기 때문에, Conduction Band의 위치가 비교적 낮게 존재한다. Base는 P형 반도체이기 때문에 이미터와 콜렉터(E-B) 사이에 에너지 밴드가 급격하게 휘는 현상이 발생하고, 베이스와 콜렉터(B-C) 사이에서는 기울기가 (E-B)보다는 작게 휘는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 이 두 계면 사이에서는 공핍 영역이 발생한다.

 

 

 

BJT의 동작 원리

 

 

 BJT는 이미터/베이스/ 콜렉터 간의 전압 차이에 의해 동작 구조가 4개로 나뉜다. 각 동작에 따른 특성이 매우 다른데, 일반적으로 전류를 흘리는 상태(=On 상태)에서는 Active 영역, 전류를 차단하는 상태(= Off 상태)에서는 Cutoff 영역을 주로 사한다.

 

 영역에 대해 하나씩 살펴보자.

4가지 바이어스 모드(영역)의 모습

 

BJT의 동작 원리 - 포화(Saturation) 영역

 

 포화 영역은 E-B 접합과 B-C 접합이 모두 순방향이다. 즉, 베이스 전위 VB> 이미터 전위 VE & 베이스 전위 VB> 콜렉터 전위 VC를 만족하는 상태이다.

포화 영역의 모습

 E-C 접합에서는 drift에 의해 전자가 이미터에서 베이스로 넘어온다. 하지만, 이 전자는 순방향인 C-B 접합에서는 (-) 인 콜렉터 전위에 의해 밀려나 콜렉터로 넘어가지 못한다. C-B 접합에서는 따라서 베이스의 다수 캐리어인 정공이 주로 콜렉터로 넘어갈 수 있는데, 베이스의 도핑 농도는 이미터보다 작기 때문에 낮은 정공 농도에 의한 작은 전류만 흐르게 된다.

 

 Vc를 점점 증가시키면, V_BC는 감소하고 V_CE는 증가한다. 만일 베이스가 BJT로 동작할 수 있을 만큼 충분히 짧다면, 이미터에서 베이스로 넘어온 전자들이 콜렉터로 보다 많이 이동한다. 베이스에서 콜렉터로 이동하는 정공의 양은 줄어들지만, 높은 농도로 도핑된 이미터에서 베이스를 거쳐 콜렉터로 이동하는 자유전자의 양이 증가하기 때문에, 결과적으로 콜렉터 전류(Ic)는 증가한다.

 

BJT의 동작 원리 - 활성(Active) 영역

 

 

 활성 영역은 E-B 접합이 순방향이고, C-B 접합이 역방향인 상태이다. 따라서, V_BE> 0V, V_BC< 0V이다.

활성 영역의 모습

 

 

 활성영역에서 E-B 접합은 drift에 의해 전자가 이미터에서 베이스로 넘어가는 것은 이전 포화영역과 동일하다. 하지만, 베이스를 통과한 소수 캐리어인 전자는 C-B 접합에서 공핍영역에 의해 발생하는 강한 전기장으로 인해 콜렉터로 이동할 수 있다. 따라서, 많은 캐리어의 이동으로 큰 콜렉터 전류(Ic)가 흐른다.

 

 

 활성 영역에서는 다음과 같은 동작이 연쇄적으로 작동한다.

1. Base - Emitter 간 순방향 바이어스
: Emitter의 다수 캐리어인 전자가 Drift로 인해 Base로 이동한다.
2. 1번과 동시에 Base의 다수 캐리어인 Hole은 Emitter 영역으로 Drift 한다.
3. Emitter의 도핑농도 >> Base 의 도핑농도 인 상태가 진행된다.
4. Emitter에서 Base로 이동한 전자의 일부와 Base의 정공의 일부가 Recombination, 소멸한다.
5. 나머지 전자가 공핍 영역의 강한 전기장에 의해 콜렉터로 이동한다.

 

 

BJT의 동작 원리 -  차단(Cut off) 영역

 

4가지 바이어스 모드(영역)의 모습

 

 차단 영역은 두 계면 모두 Reverse Bias 인 상태이다. 따라서, V_BE, V_BC < 0 이다. 회로에서 베이스 영역의 전위가 가장 높은 상태가 되기 때문에, 이미터와 콜렉터의 전자들이 베이스로 이동할 수 없다. 따라서, 차단 영역에서는 콜렉터 전류가 0에 가깝게 유지된다.

 

BJT의 동작 원리 -  역활성(Inverted) 영역

 

 E-B 계면이 역방향 바이어스 , B-C 계면이 순방향 바이어스로 활성 영역과 비슷하나, 활성영역과 대조적을 이미터의 농도가 낮아 굳이 사용하지 않기 때문에 자세한 설명은 생략한다.

 

 

PNP BJT에서의 캐리어 분포

 

 

BJT의 전류-전압 특성

 

  일반적으로 가장 많이 사용하는 Common Emitter(CE)모드는 이미터 전위를 0V로 고정 시킨 상태에서, 이미터/ 콜렉터 전압을 변동시킨다 이때 I-V 곡선은 다음과 같다.

 

 

  입력전압에 따라 지수함수 꼴로 전류가 증가하는 모습이다.

 

베이스의 두께 조절

 

 

 위 식을 통해, I_s값이 면적/ 도핑 농도에 비례하고 베이스의 두께 W에 반비례하는 것을 확인 할 수 있다. 즉, 베이스의 두께가 짧을 수록, 도핑 농도가 증가할 수록, V_BE가 커질 수록 콜렉터 전류가 증가한다.

 

 BJT의 I-V 곡선을 그려보면, V_CE가 증가할 수록 Ic(콜렉터 전류)가 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 이것은 Vc가 증가하면서 C-B 단에서 역방향 바이어스에 의한 공핍 영역의 증가 때문이다. 공핍 영역이 증가하면, 실제로 베이스가 동작하는 영역의 폭이 줄어드는데 이처럼 바이어스에 따라 베이스의 실질적 두께가 짧아지는 현상을 베이스 두께조절(Base Width Modulation)이라고 한다.

 

베이스 두께조절(Base Width Modulation)
: BJT에서 컬렉터-이미터 전압(V_CE)이 증가할 때 베이스의 유효 폭이 줄어드는 현상.

- 컬렉터-이미터 전압이 증가하면 B-C 사이의 공간 전하 영역(Depletion Region)이 늘어나 베이스의 폭(W_B)가 감소한다.
- 베이스의 폭이 감소하면 전자가 베이스를 통과할 확률이 높아지기 때문에, 결과적으로 트랜지스터의 전류 이득(β
=IC​/IB​)이 증가하는 효과를 보인다.

 

 

베이스 두께 조절 과정에 대해 알아보자.

1. BJT가 순방향(active mode) 에서 동작 중일 때, 컬렉터-베이스 접합은 역방향 바이어스(reverse bias) 되어 있음.
2. V_CE 증가 → 컬렉터-베이스 역방향 바이어스 증가 → 컬렉터-베이스 공간전하영역 확장
3. 공간전하영역이 베이스 영역을 침범 → 베이스의 유효 폭(W_B) 감소
4. 베이스 폭이 줄어들면서, 베이스에서 전자-정공 재결합이 감소 → 컬렉터 전류(I_C) 증가
5. 결과적으로, BJT의 전류 이득(β=IC/IB )이 증가하는 현상이 나타남.

 

 

베이스 두께 조절로 인해 베이스의 두께가 감소하면, 베이스 내에서 소수 캐리어가 가로질러 가는 거리가 감소한다. 즉, E -> B -> C로 이동하는 전자의 개수가 증가하여, C-B에서의 역방향 포화 전류가 증가한다.

 

이처럼 전체 전류가 증가하는 것을 Early Effect라고 하며, 콜렉터 전류의 Ic의 연장선상에서 V_CE와 만나는 절편의 값을 Early 절편(Early Voltage)라고 한다.

 

Early Effect의 모습. 출처: 위키피디아

 

 

Early Effect
: Base Width Modulation으로 인해 컬렉터 전류(IC)가 V_CE에 따라 증가하는 현상을 의미합니다.

- 이상적인 BJT의 전류-전압 특성과 달리, 실제 컬렉터 전류(Ic​)는 V_CE가 증가함에 따라 완전히 일정하지 않고 소폭 증가하게 되는 현상을 의미한다.

 

* Early Effect의 결과
- BJT의 컬렉터 전류(Ic​)는 컬렉터-이미터 전압(V_CE)에 대해 일정하지 않고, 약간 기울어진 직선 형태를 가짐.
- 이때, 컬렉터 전류의 그래프를 역으로 연장했을 때 V_CE 축과 만나는 점을 Early Voltage(V_A) 라고 한다.
- Early Voltage는 주어진 트랜지스터의 구조적 특성에 따라 결정되며, 일반적으로 수십에서 수백 V 정도의 값을 가진다.

 

 Early Effect으로 인해 전류 이득이 증가하고, 출력 저항과 선형성이 감소하는 영향이 일어난다.

 

BJT의 항복

 

 BJT의 항복 매커니즘은 2가지가 있다.

 하나는 PN 다이오드에서도 나왔던 1) 애벌런치 항복이고, 다른 하나는 2) 펀치- 스루(Punch-through) 항복이다.

 

 

1) 애벌런치(Avalanche) 항복

 

애벌런치 항복

 

 애벌런치 항복은 PN 다이오드의 애벌런치 항복과 유사하다. 베이스 영역의 폭이 어느정도 유지할때 Vc가 증가하여 V_CB에 역방향 바이어스가 인가될 때 발생한다. 열생성 혹은 이미터에서 넘어온 전자가, C-B 계면의 공핍영역에서 발생한 강한 전기장에 의해 가속되어 실리콘 격자를 이온화시킨다. 또한, PN 다이오드때와 마찬가지고 연쇄작용이 일어나 과도한 전류가 흐른다.

 

 전자와 정공 쌍 생성의 연쇄 반응으로, 전류가 갑작스럽게 폭발적으로 증가하며, 매우 큰 전류가 발생하여 물리적 손상이 일어날 수 있다.

Avalanche Breakdown
: 컬렉터-베이스 접합부가 너무 높은 역방향 전압을 받을 때, 전자-정공 충돌 이온화(Impact Ionization)로 인해 컬렉터 전류가 폭발적으로 증가하는 현상

 

 

 

2) 펀치- 스루(Punch-through) 항복

Punch-through 항복

 

 펀치-스루 항복은 바이어스는 위와 같으나, 베이스 영역의 폭이 짧을 때 발생한다. C-B 계면의 공핍 영역이 점점 베이스를 침범하다가, 어느 순간 베이스 영역이 없어지고 반대편의 E-B 계면의 공핍 영역과 만나는 방향이 발생한다. 이미터에서 베이스로 넘어간 전자는 베이스의 상태와 상관없이 베이스 영역을 뚫고 이미터로 빨려들어간다.

 

즉, 펀치 스루 항복은 컬렉터와 베이스의 역방향 바이어스 확장으로 베이스가 얇아져 발생하며, 전류가 애벌런치 항복에 비해 점진적으로 V_CE에 비례하여 서서히 증가하여, 심한경우에는 파괴될 수 있다. 

Punch-Through Breakdown
: 컬렉터-이미터 전압(V_CE)이 너무 커지면 베이스 폭(W_B)이 0에 가까워지면서 컬렉터와 이미터가 직접 연결되는 현상