바이폴라 접합 트랜지스터

바이폴라 접합 트랜지스터 (BJT)라는 이름은 그 작동이 동일한 결정의 전자와 정공이라는 두 개의 캐리어에 의한 전도를 포함하기 때문에 명명되었습니다. 최초의 바이폴라 트랜지스터는 1947년 너무 늦게 William Shockley, Walter Brattain 및 John Bardeen에 의해 Bell Labs에서 발명되어 1948년까지 출판되지 않았습니다. 따라서 많은 텍스트에서 발명 날짜가 다릅니다. Brattain은 게르마늄 점 접촉 트랜지스터를 제작했습니다. , 점 접촉 다이오드와 약간 유사합니다. 한 달 만에 Shockley는 보다 실용적인 접합 트랜지스터를 갖게 되었습니다. , 다음 단락에서 설명합니다. 그들은 트랜지스터로 1956년에 노벨 물리학상을 수상했습니다.

아래 그림(a)에 표시된 바이폴라 접합 트랜지스터는 이미터가 있는 NPN 3층 반도체 샌드위치입니다. 및 수집가 끝에, 그리고 기본 사이. 마치 2층 다이오드에 세 번째 층이 추가된 것과 같습니다. 이것이 유일한 요구 사항이라면 백투백 다이오드 한 쌍만 가질 수 있습니다. 사실, 한 쌍의 백투백 다이오드를 만드는 것이 훨씬 쉽습니다. 바이폴라 접합 트랜지스터 제조의 핵심은 외부 층, 이미터 및 콜렉터를 단락시키지 않고 중간층인 베이스를 최대한 얇게 만드는 것입니다. 얇은 베이스 영역의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다.

BJT 분기점

아래 그림(a)의 장치는 한 쌍의 접합, 이미터에서 베이스로, 베이스에서 컬렉터로, 두 개의 공핍 영역을 가지고 있습니다.

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

바이폴라 접합 트랜지스터의 베이스-컬렉터 접합을 역 바이어스하는 것이 일반적입니다(위의 그림 (b)). 이것은 공핍 영역의 폭을 증가시킵니다. 역 바이어스 전압은 수 볼트에서 수십 볼트가 될 수 있습니다. 대부분의 트랜지스터의 경우 컬렉터 회로에는 누설 전류 외에는 전류가 흐르지 않습니다.

아래 그림(a)에서는 이미 터 베이스 회로에 전압 소스가 추가되었습니다. 일반적으로 이미 터-베이스 접합을 순방향 바이어스하여 0.6V 전위 장벽을 극복합니다. 이것은 접합 다이오드를 순방향 바이어스하는 것과 유사합니다. 이 전압 소스는 에미터에서 베이스로 흐르는 다수 캐리어(NPN의 경우 전자)가 P형 반도체에서 소수 캐리어가 되기 위해 0.6V를 초과해야 합니다.

한 쌍의 백투백 다이오드와 같이 베이스 영역이 두꺼우면 베이스에 들어가는 모든 전류가 베이스 리드 밖으로 흐를 것입니다. NPN 트랜지스터의 예에서 베이스의 에미터를 떠나는 전자는 베이스의 정공과 결합하여 전자가 나갈 때 베이스의 (+) 배터리 단자에 더 많은 정공이 생성될 공간을 만듭니다.

그러나 베이스는 얇게 제작됩니다. 베이스에 소수 캐리어로 주입된 이미터의 소수 다수 캐리어는 실제로 재결합합니다. 아래 그림 (b)를 참조하십시오. 에미터에 의해 NPN 트랜지스터의 베이스로 주입된 소수의 전자가 정공으로 떨어집니다. 또한 베이스에 들어가는 전자는 거의 베이스를 통해 양극 배터리 단자로 직접 흐릅니다. 전자의 에미터 전류의 대부분은 얇은 베이스를 통해 컬렉터로 확산됩니다. 더욱이, 작은 베이스 전류를 변조하면 컬렉터 전류에 더 큰 변화가 발생합니다. 기본 전압이 실리콘 트랜지스터의 경우 약 0.6V 아래로 떨어지면 큰 이미터-컬렉터 전류가 흐르지 않게 됩니다.

역 바이어스된 컬렉터-베이스가 있는 NPN 접합 바이폴라 트랜지스터:(a) 베이스-이미터 접합에 순방향 바이어스를 추가하면 (b) 작은 베이스 전류와 큰 이미터 및 콜렉터 전류가 생성됩니다.

BJT 전류 증폭

아래 그림에서 우리는 현재 증폭 메커니즘을 자세히 살펴봅니다. 얇은 베이스 영역에 중점을 둔 NPN 접합 트랜지스터의 확대도가 있습니다. 표시되지는 않았지만 외부 전압 소스가 1) 이미터-베이스 접합을 순방향 바이어스하고 2) 베이스-컬렉터 접합을 역방향 바이어스한다고 가정합니다. 전류는 이미 터를 (-) 배터리 단자로 둡니다. 베이스 전류 흐름은 (+) 배터리 단자에서 베이스 단자로 들어가는 전류에 해당합니다.

염기에 들어가는 전자의 배치:(a) 염기 정공과의 재결합으로 인해 손실됨. (b) 베이스 리드가 흘러 나옵니다. (c) 대부분의 이미터에서 얇은 베이스를 통해 베이스-컬렉터 공핍 영역으로 확산되고, (d) 강한 공핍 영역 전기장에 의해 컬렉터로 빠르게 스윕됩니다.

N형 에미터 내의 대다수 캐리어는 전자이고 P형 베이스에 들어갈 때 소수 캐리어가 됩니다. 이 전자는 얇은 P형 염기로 들어가는 네 가지 운명에 직면합니다. 위의 그림 (a)에서 몇 개는 (+) 배터리 단자로의 베이스 전류 흐름에 기여하는 베이스의 구멍으로 떨어집니다. 표시되지 않았지만 베이스의 정공은 이미터로 확산되어 전자와 결합하여 베이스 단자 전류에 기여할 수 있습니다. (b)에서 베이스가 저항인 것처럼 베이스를 통해 (+) 배터리 단자로 흐르는 것은 거의 없습니다. (a)와 (b)는 모두 매우 작은 기본 전류 흐름에 기여합니다. 기본 전류는 일반적으로 소신호 트랜지스터의 이미터 또는 컬렉터 전류의 1%입니다. 대부분의 에미터 전자는 얇은 베이스(c)를 통해 베이스-컬렉터 공핍 영역으로 바로 확산됩니다. (d)에서 전자를 둘러싸고 있는 공핍 영역의 극성에 주목하십시오. 강한 전기장은 전자를 빠르게 컬렉터로 스윕합니다. 필드의 강도는 컬렉터 배터리 전압에 비례합니다. 따라서 이미 터 전류의 99%가 컬렉터로 흐릅니다. 이것은 이미 터 전류의 1%인 베이스 전류에 의해 제어됩니다. 이것은 99의 잠재적인 전류 이득, I_C의 비율입니다. /나_B , 베타, β라고도 합니다.

베이스를 통한 에미터 캐리어의 99% 확산인 이 마법은 베이스가 매우 얇은 경우에만 가능합니다. 100배 더 두꺼운 기지에서 기지 소수 캐리어의 운명은 어떻게 될까요? 전자가 정공으로 떨어지는 재결합 속도가 훨씬 더 높을 것으로 예상할 수 있습니다. 아마도 1%가 아니라 99%가 구멍에 빠져 수집가에게 도달하지 못할 것입니다. 두 번째로 확인해야 할 점은 에미터 전류의 99%가 컬렉터로 확산되는 경우에만 베이스 전류가 에미터 전류의 99%를 제어할 수 있다는 것입니다. 모두 베이스 밖으로 흘러나오면 제어가 불가능합니다.

에미터에서 컬렉터로 전자의 99%를 전달하는 또 다른 기능은 실제 바이폴라 접합 트랜지스터가 소량의 고농도 에미터를 사용한다는 것입니다. 높은 농도의 에미터 전자는 많은 전자가 베이스로 확산되도록 합니다. 베이스의 도핑 농도가 낮으면 에미터로 확산되는 정공이 적어져 베이스 전류가 증가합니다. 에미터에서 베이스로의 캐리어 확산이 강력하게 선호됩니다.

얇은 베이스와 많이 도핑된 이미터는 이미터 효율성을 유지하는 데 도움이 됩니다. 높음, 예를 들어 99%. 이것은 베이스 1%와 컬렉터 99% 사이의 100% 이미터 전류 분할에 해당합니다. 이미 터 효율은 α =I_C로 알려져 있습니다. /나_E .

BJT 유형

바이폴라 접합 트랜지스터는 PNP 및 NPN 장치로 사용할 수 있습니다. 아래 그림에서 이 두 가지를 비교합니다. 차이점은 개략도 기호 이미 터 화살표의 방향으로 표시되는 기본 이미 터 다이오드 접합의 극성입니다. 전류 흐름을 따라 접합 다이오드의 양극 화살표와 같은 방향을 가리킵니다. 이전 그림의 다이오드 접합을 참조하십시오. 화살표와 막대의 점은 각각 P형과 N형 반도체에 해당합니다. NPN 및 PNP 이미터의 경우 화살표가 각각 베이스를 향하고 있습니다. 수집기에는 도식적인 화살표가 없습니다. 그러나 베이스-컬렉터 접합은 다이오드에 비해 베이스-이미터 접합과 같은 극성입니다. 참고로 전원 공급 장치가 아닌 다이오드 극성입니다.

(a)의 NPN 트랜지스터와 (b)의 PNP 트랜지스터를 비교하십시오. 이미터 화살표의 방향과 공급 극성을 확인하십시오.

PNP 트랜지스터의 전압 소스는 위의 그림과 같이 NPN 트랜지스터와 비교하여 반전됩니다. 베이스-이미터 접합은 두 경우 모두 순방향 바이어스되어야 합니다. PNP 트랜지스터의 베이스는 NPN의 양극(a)과 비교하여 음극(b)으로 바이어스됩니다. 두 경우 모두 베이스-컬렉터 접합은 역 바이어스됩니다. PNP 컬렉터 전원 공급 장치는 NPN 트랜지스터의 양극에 비해 음극입니다.

바이폴라 접합 트랜지스터:(a) 개별 장치 단면, (b) 회로도 기호, (c) 집적 회로 단면.

위의 그림(a)에서 BJT는 N+ 표기법으로 표시된 것처럼 이미 터에 다량의 도핑이 있음을 유의하십시오. 베이스는 정상적인 P-도펀트 수준을 갖는다. 베이스는 스케일이 아닌 단면도보다 훨씬 얇습니다. 컬렉터는 N 표기법으로 표시된 대로 가볍게 도핑됩니다. 컬렉터-베이스 접합이 높은 항복 전압을 갖도록 컬렉터는 가볍게 도핑되어야 합니다. 이것은 높은 허용 가능한 컬렉터 전원 공급 장치 전압으로 변환됩니다. 소신호 실리콘 트랜지스터의 항복 전압은 60-80V입니다. 그러나 고전압 트랜지스터의 경우 수백 볼트까지 작동할 수 있습니다. 트랜지스터가 고전류를 처리해야 하는 경우 옴 손실을 최소화하기 위해 컬렉터도 많이 도핑되어야 합니다. 이러한 모순되는 요구 사항은 금속 접촉 영역에서 컬렉터를 더 많이 도핑함으로써 충족됩니다. 베이스 부근의 컬렉터는 에미터에 비해 약간 도핑되어 있습니다. 에미터에 과도하게 도핑하면 소신호 트랜지스터에서 에미터 베이스에 약 7V의 낮은 항복 전압이 제공됩니다. 많이 도핑된 에미터는 에미터-베이스 접합이 역 바이어스에서 제너 다이오드와 같은 특성을 갖도록 합니다.

BJT 죽어 슬라이스 및 다이싱된 반도체 웨이퍼 조각은 전력 트랜지스터용 금속 케이스에 컬렉터 아래로 장착됩니다. 즉, 금속 케이스는 컬렉터와 전기적으로 연결된다. 작은 신호 다이는 에폭시로 캡슐화될 수 있습니다. 파워 트랜지스터에서 알루미늄 본딩 와이어는 베이스와 이미터를 패키지 리드에 연결합니다. 소신호 트랜지스터 다이는 리드 와이어에 직접 장착될 수 있습니다. 집적 회로라고 하는 단일 다이에서 여러 트랜지스터를 제조할 수 있습니다. . 컬렉터도 케이스 대신 리드에 접합될 수 있습니다. 집적 회로는 트랜지스터 및 기타 집적 구성 요소의 내부 배선을 포함할 수 있습니다. (위의 그림 (c))에 표시된 통합 BJT는 "비축척" 도면보다 훨씬 얇습니다. P+ 영역은 단일 다이에서 여러 트랜지스터를 분리합니다. 알루미늄 금속화 층(도시되지 않음)은 다중 트랜지스터 및 기타 구성요소를 상호 연결합니다. 에미터 영역은 베이스 및 컬렉터에 비해 N+로 많이 도핑되어 이미터 효율을 향상시킵니다.

개별 PNP 트랜지스터는 NPN 대응 트랜지스터만큼 고품질입니다. 그러나 집적 PNP 트랜지스터는 동일한 집적 회로 다이 내에서 NPN 종류만큼 좋지 않습니다. 따라서 집적 회로는 가능한 한 NPN 다양성을 사용합니다.

검토:

<울>

바이폴라 트랜지스터는 동일한 장치에서 전자와 정공을 모두 사용하여 전류를 전도합니다.

바이폴라 트랜지스터를 전류 증폭기로 작동하려면 컬렉터-베이스 접합이 역방향 바이어스되고 에미터-베이스 접합이 순방향 바이어스되어야 합니다.

트랜지스터는 중심층인 베이스가 매우 얇다는 점에서 백투백 다이오드 쌍과 다릅니다. 이것은 에미터의 다수 캐리어가 베이스를 통해 강한 전기장이 이들을 수집하는 베이스-컬렉터 접합의 공핍 영역으로 소수 캐리어로 확산되도록 합니다.

컬렉터에 비해 도핑을 많이 하여 에미터 효율을 높였습니다. 이미터 효율:α =I_C /나_E , 소형 신호 장치의 경우 0.99

현재 이득은 β=I_C입니다. /나_B , 소신호 트랜지스터의 경우 100 ~ 300입니다.

관련 워크시트:

<울>

BJT(Bipolar Junction Transistor) 이론 워크시트