양극 접합 트랜지스터

바이폴라 접합 트랜지스터 ( BJT)는 동일한 결정에 있는 두 개의 캐리어, 즉 전자와 홀에 의한 전도를 수반하기 때문에 명명되었습니다. 최초의 바이폴라 트랜지스터는 1947년 말에 Bell Labs에서 William Shockley, Walter Brattain, John Bardeen이 발명했기 때문에 1948년까지 출판되지 않았습니다. 따라서 많은 텍스트가 발명 날짜에 대해 서로 다릅니다. Brattain은 점 접촉 다이오드와 약간 유사한 게르마늄 점 접촉 트랜지스터를 제작했습니다. 한 달 안에 Shockley는 다음 단락에서 설명하는 더 실용적인 접합 트랜지스터를 만들었습니다 . 그들은 트랜지스터로 1956년에 노벨 물리학상을 수상했습니다.

아래 그림(a)에 표시된 바이폴라 접합 트랜지스터는 양쪽 끝에 이미터 와 컬렉터 가 있고 그 사이에 베이스가 있는 NPN 3층 반도체 샌드위치입니다 . 마치 2층 다이오드에 세 번째 층이 추가된 것과 같습니다. 이것이 유일한 요구 사항이라면 백투백 다이오드 한 쌍만 있으면 됩니다. 사실, 백투백 다이오드 한 쌍을 만드는 것이 훨씬 쉽습니다. 바이폴라 접합 트랜지스터를 제작하는 핵심은 외부 층인 이미터와 컬렉터를 단락시키지 않고 중간 층인 베이스를 최대한 얇게 만드는 것입니다. 얇은 베이스 영역의 중요성을 지나치게 강조할 수 없습니다.

BJT 접합

아래 그림(a)의 장치는 이미터-베이스, 베이스-컬렉터의 한 쌍의 접합과 두 개의 고갈 영역을 갖습니다.

(a) NPN 접합 바이폴라 트랜지스터. (b) 컬렉터 베이스 접합에 역방향 바이어스를 적용합니다.

(위의 그림 (b))에 표시된 것처럼 바이폴라 접합 트랜지스터의 베이스-컬렉터 접합을 역 바이어스하는 것이 일반적입니다. 이렇게 하면 고갈 영역의 폭이 늘어납니다. 역 바이어스 전압은 대부분 트랜지스터의 경우 수 볼트에서 수십 볼트가 될 수 있습니다. 컬렉터 회로에는 누설 전류를 제외하고는 전류가 흐르지 않습니다.

아래 그림(a)에서 전압 소스가 에미터 베이스 회로에 추가되었습니다. 일반적으로 에미터-베이스 접합을 순방향 바이어스하여 0.6V 전위 장벽을 극복합니다. 이는 접합 다이오드를 순방향 바이어스하는 것과 유사합니다. 이 전압 소스는 다수 캐리어(NPN의 경우 전자)가 에미터에서 베이스로 흘러 P형 반도체의 소수 캐리어가 되려면 0.6V를 초과해야 합니다.

베이스 영역이 두껍다면, 예를 들어 백투백 다이오드 한 쌍처럼 베이스에 들어오는 모든 전류가 베이스 리드를 통해 흘러나갈 것입니다. NPN 트랜지스터 예에서, 에미터에서 베이스로 나가는 전자는 베이스의 홀과 결합되어 전자가 빠져나감에 따라 베이스의 (+) 배터리 단자에 더 많은 홀이 생성될 수 있는 공간을 만듭니다.

그러나 베이스는 얇게 제조됩니다. 에미터의 소수 캐리어가 소수 캐리어로 베이스에 주입되면 실제로 재결합합니다. 아래 그림(b)을 참조하세요. 에미터에서 NPN 트랜지스터의 베이스로 주입된 전자 중 일부는 홀에 빠집니다. 또한 베이스로 들어오는 전자 중 일부는 베이스를 통해 양극 배터리 단자로 직접 흐릅니다. 전자의 에미터 전류 대부분은 얇은 베이스를 통해 컬렉터로 확산됩니다. 게다가 작은 베이스 전류를 변조하면 컬렉터 전류가 더 크게 변합니다. 실리콘 트랜지스터의 베이스 전압이 약 0.6V 아래로 떨어지면 큰 에미터-컬렉터 전류가 흐르지 않습니다.

역방향 바이어스 컬렉터-베이스를 갖는 NPN 접합 바이폴라 트랜지스터: (a) 베이스-이미터 접합에 순방향 바이어스를 추가하면 (b) 베이스 전류는 작고 이미터 및 컬렉터 전류는 큽니다.

BJT 전류 증폭

아래 그림에서 전류 증폭 메커니즘을 자세히 살펴보겠습니다. 얇은 베이스 영역에 중점을 둔 NPN 접합 트랜지스터의 확대된 모습이 있습니다. 표시되지는 않았지만 외부 전압 소스가 1) 에미터-베이스 접합을 순방향 바이어스하고, 2) 베이스-컬렉터 접합을 역방향 바이어스한다고 가정합니다. 전류는 에미터에서 (-) 배터리 단자로 나갑니다. 베이스 전류 흐름은 (+) 배터리 단자에서 베이스 단자로 들어오는 전류에 해당합니다.

베이스에 들어가는 전자의 배열: (a) 베이스 홀과의 재결합으로 인해 손실됩니다. (b) 베이스 리드에서 흘러나옵니다. (c) 대부분은 에미터에서 얇은 베이스를 통해 베이스-컬렉터 고갈 영역으로 확산되고 (d) 강한 고갈 영역 전기장에 의해 컬렉터로 빠르게 휩쓸려갑니다.

N형 에미터 내의 다수 캐리어는 전자이며, P형 베이스에 들어갈 때 소수 캐리어가 됩니다. 이러한 전자는 얇은 P형 베이스에 들어갈 때 네 가지 가능한 운명에 직면합니다. 위 그림(a)에서 몇몇은 베이스의 구멍에 빠지고, 이는 베이스 전류가 (+) 배터리 단자로 흐르는 데 기여합니다. 표시되지 않았지만, 베이스의 구멍은 에미터로 확산되어 전자와 결합하여 베이스 단자 전류에 기여할 수 있습니다. (b)에서 몇몇은 베이스가 저항기인 것처럼 베이스를 통해 (+) 배터리 단자로 흐릅니다. (a)와 (b)는 모두 매우 작은 베이스 전류 흐름에 기여합니다. 베이스 전류는 일반적으로 소신호 트랜지스터의 에미터 또는 컬렉터 전류의 1%입니다. 대부분의 에미터 전자는 얇은 베이스(c)를 통해 베이스-컬렉터 고갈 영역으로 바로 확산됩니다. (d)에서 전자를 둘러싼 고갈 영역의 극성에 주목하세요. 강한 전기장이 전자를 컬렉터로 빠르게 쓸어 넣습니다. 전기장의 강도는 컬렉터 배터리 전압에 비례합니다. 따라서 에미터 전류의 99%가 컬렉터로 흐릅니다. 이는 에미터 전류의 1%인 베이스 전류에 의해 제어됩니다. 이는 99의 잠재적 전류 이득, I C /I B 비율 , 베타, β라고도 합니다.

이 마법, 에미터 캐리어의 99%를 베이스를 통해 확산하는 것은 베이스가 매우 얇을 때만 가능합니다. 베이스가 100배 더 두꺼울 때 베이스 소수 캐리어의 운명은 어떻게 될까요? 재결합 속도, 즉 전자가 홀에 떨어지는 속도는 훨씬 더 높을 것으로 예상할 수 있습니다. 아마도 1% 대신 99%가 홀에 떨어져 컬렉터에 도달하지 못할 것입니다. 두 번째로 지적할 점은 베이스 전류가 에미터 전류의 99%를 제어할 수 있다는 것입니다. 에미터 전류의 99%가 컬렉터로 확산되는 경우에만 가능합니다. 모든 것이 베이스에서 흘러나간다면 제어할 수 없습니다.

에미터에서 컬렉터로 전자의 99%를 전달하는 또 다른 특징은 실제 바이폴라 접합 트랜지스터가 작고 고농도로 도핑된 에미터를 사용한다는 것입니다. 에미터 전자의 고농도 때문에 많은 전자가 베이스로 확산됩니다. 베이스의 도핑 농도가 낮으면 에미터로 확산되는 홀이 적어 베이스 전류가 증가합니다. 에미터에서 베이스로 캐리어가 확산되는 것이 강력하게 선호됩니다.

얇은 베이스와 고도로 도핑된 에미터는 에미터 효율을 높게 유지하는 데 도움이 됩니다(예: 99%). 이는 베이스가 1%이고 콜렉터가 99%인 100% 에미터 전류 분할에 해당합니다. 에미터 효율은 α = I C /I E 로 알려져 있습니다 .

BJT의 종류

양극 접합 트랜지스터는 PNP와 NPN 장치로 제공됩니다. 아래 그림에서 이 두 가지를 비교합니다. 차이점은 회로 기호 에미터 화살표의 방향으로 표시되는 베이스 에미터 다이오드 접합의 극성입니다. 전류 흐름을 따라 접합 다이오드의 애노드 화살표와 같은 방향을 가리킵니다. 이전 그림의 다이오드 접합을 참조하세요. 화살표와 막대의 끝은 각각 P형과 N형 반도체에 해당합니다. NPN 및 PNP 에미터의 경우 화살표는 각각 베이스에서 멀어지고 베이스를 향합니다. 컬렉터에는 회로 화살표가 없습니다. 그러나 베이스-컬렉터 접합은 다이오드와 비교할 때 베이스-에미터 접합과 동일한 극성입니다. 전원 공급 장치가 아닌 다이오드의 극성에 대해 이야기하는 점에 유의하세요.

(a)의 NPN 트랜지스터와 (b)의 PNP 트랜지스터를 비교하세요. 이미터 화살표 방향과 공급 극성에 주의하세요.

PNP 트랜지스터의 전압 소스는 위 그림에서 보듯이 NPN 트랜지스터와 비교했을 때 역전됩니다. 베이스-에미터 접합은 두 경우 모두 순방향 바이어스되어야 합니다. PNP 트랜지스터의 베이스는 NPN의 경우 양(a)인 반면, PNP 트랜지스터의 경우 음(b)으로 바이어스됩니다. 두 경우 모두 베이스-컬렉터 접합은 역방향 바이어스됩니다. PNP 컬렉터 전원 공급 장치는 NPN 트랜지스터의 경우 양(a)인 반면, 음(b)으로 바이어스됩니다.

양극성 접합 트랜지스터: (a) 개별 소자 단면도, (b) 회로도 기호, (c) 집적 회로 단면도.

그림(a)의 BJT는 N+ 표기법으로 표시된 대로 에미터에 고농도 도핑이 되어 있습니다. 베이스는 일반적인 P-도펀트 레벨을 가지고 있습니다. 베이스는 실제 크기에 맞지 않는 단면보다 훨씬 얇습니다. 컬렉터는 N- 표기법으로 표시된 대로 가볍게 도핑되어 있습니다. 컬렉터는 컬렉터-베이스 접합이 높은 항복 전압을 갖도록 가볍게 도핑되어야 합니다. 이는 높은 허용 컬렉터 전원 공급 전압으로 변환됩니다. 소신호 실리콘 트랜지스터는 60-80V 항복 전압을 가지고 있습니다. 하지만 고전압 트랜지스터의 경우 수백 볼트까지 작동할 수 있습니다. 트랜지스터가 고전류를 처리해야 하는 경우 오믹 손실을 최소화하기 위해 컬렉터도 고농도 도핑해야 합니다. 이러한 모순되는 요구 사항은 금속 접촉 영역에서 컬렉터를 더 고농도 도핑하여 충족됩니다. 베이스 근처의 컬렉터는 에미터에 비해 가볍게 도핑되어 있습니다. 에미터의 고농도 도핑은 소신호 트랜지스터에서 에미터-베이스에 약 7V의 낮은 항복 전압을 제공합니다. 고도로 도핑된 에미터는 에미터-베이스 접합이 역방향 바이어스에서 제너 다이오드와 같은 특성을 가지게 합니다.

BJT 다이 는 슬라이스 및 다이싱된 반도체 웨이퍼의 일부로, 전력 트랜지스터의 금속 케이스에 콜렉터로 장착됩니다. 즉, 금속 케이스는 콜렉터에 전기적으로 연결됩니다. 소신호 다이는 에폭시로 캡슐화될 수 있습니다. 전력 트랜지스터에서 알루미늄 본딩 와이어는 베이스와 에미터를 패키지 리드에 연결합니다. 소신호 트랜지스터 다이는 리드 와이어에 직접 장착될 수 있습니다. 여러 트랜지스터는 집적 회로 라고 하는 단일 다이에 제작될 수 있습니다 . 콜렉터도 케이스 대신 리드에 본딩될 수 있습니다. 집적 회로에는 트랜지스터와 기타 통합 구성 요소의 내부 배선이 포함될 수 있습니다. 위의 그림(c)에 표시된 통합 BJT는 "비율에 맞지 않음" 도면보다 훨씬 얇습니다. P+ 영역은 단일 다이에서 여러 트랜지스터를 분리합니다. 알루미늄 금속화 층(표시되지 않음)은 여러 트랜지스터와 기타 구성 요소를 상호 연결합니다. 에미터 영역은 베이스와 콜렉터에 비해 N+가 강하게 도핑되어 에미터 효율이 향상됩니다.

이산 PNP 트랜지스터는 NPN 대응 제품만큼 품질이 좋습니다. 그러나 통합 PNP 트랜지스터는 동일한 통합 회로 다이 내의 NPN 종류만큼 좋지 않습니다. 따라서 통합 회로는 가능한 한 NPN 종류를 사용합니다.

검토:

• 바이폴라 트랜지스터는 동일한 장치 내에서 전자와 홀을 모두 사용해 전류를 전달합니다.
• 바이폴라 트랜지스터를 전류 증폭기로 동작시키려면 컬렉터-베이스 접합이 역방향 바이어스되고, 이미터-베이스 접합이 순방향 바이어스되어야 합니다.
• 트랜지스터는 베이스, 즉 중앙 층이 매우 얇다는 점에서 백투백 다이오드 쌍과 다릅니다. 이를 통해 에미터의 다수 캐리어가 소수 캐리어로 베이스를 통해 베이스-컬렉터 접합의 고갈 영역으로 확산되고, 강한 전기장이 이를 수집합니다.
• 에미터 효율은 콜렉터에 비해 더 무거운 도핑으로 개선됩니다. 에미터 효율: α = I C /I E , 소신호 장치의 경우 0.99
• 소신호 트랜지스터의 경우 전류 이득은 β=I C /I B , 100~300입니다.

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