Lecture 13. Bipolar Transistor Structure & Operation

이제는 Transistor에 대해 배워보려고 한다. 

우선 amplifier가 무엇인지 알아보자.

Amplifier는 말 그대로 증폭기이다. 위에서와 같이 Vin이 Vout처럼 진폭이 커지게 하는 것이 amplifier이다. 

 

그럼 이 amplifier를 만들려면 어떻게 해야 될까??

 

amp를 만들기 위해서는 dependant source를 필요로 한다. 위의 회로에서는 전압에 의한 전류원을 이용했다. Vout을 구하기 위해 KCL을 이용하면 아래와 같이 식을 세울 수 있다.

Vout이 -kRVin으로 나오는데 지금 현재 우리가 보려는 것은 진폭이기 때문에 부호는 중요치 않다. 이러한 과정을 통해 Vout이 증폭된 결과를 얻을 수 있다. 그럼 이 dependant source를 구하면 증폭이 가능하다는 것일까??

그렇게 쉬웠다면 좋겠지만 현실에서는 이 dependant source를 만들어줘야 하고 우리는 transistor를 이용해 만들 것이다. 

 

우선 Transistor를 설명하기 전에 몇 가지 생각을 해보려 한다. 

 

Observation

 

- Concept of carrier injection

위의 그림처럼 PN Junciton에서 p의 depletion region에 전자를 넣어주면 어떻게 될까?? 

depletion region에서 electric field는 n에서 p의 방향으로 존재한다. 그럼 전자는 -에서 +로 이동하게 됨으로 결국 n으로 전자가 넘어가게 된다. 그 결과 배터리의 +로 흡수된다. 

 

-Effect of Asymmetric Doping

 

이번에는 doping 정도가 다른 PN Junciton이 어떻게 작동하는지 알아보자.

n에 heavly doped 상태로 p는 lightly doped 상태로 해주자. Forward bias 상태에서 PN Junction의 carrier가 depletion region을 쉽게 넘어간다. 이때 doping 차이로 인해 위의 그림과 같이 전자가 많이 이동하고 hole은 상대적으로 적게 이동한다. 

 

 

Structure and Symbol

 

 

Bipolar Transistor는 위와 같이 npn 구조로 되어 있고 3개의 채널이 존재한다. 이 채널을 각각 collector(C) base (B) emitter(E)라고 부른다. Emitter는 highly doped된 상태이고 이를 표현하기 위해 n에 +를 붙인다. 그럼 위의 구조에서 transistor가 작동하기 위해서는 base collector junction이 reverse bias 또는 zero 상태가 되어야 하고 base emitter junction은 forward bias 상태가 돼야 한다. 그럼 이 조건을 만족하기 위해서는 Base 전압이 Emitter 전압보다 큰 값을 가져야 하고 Collector 전압이 Base 전압보다 높은 상태가 되어야 한다. 이 조건을 만족하면 Acticve forward bias로 부르고 이때 전류가 흐르게 된다. 

여기서 Base의 두께는 매우 얇다. (이는 나중에 의미가 있음)

 

Operation of Bioplar Transistor

Transistor가 작동하려면 앞서 말했듯이 각각의 junction들의 조건에 맞는 전압 관계를 만족시켜야 한다. 이를 아래 회로와 같이 표현할 수 있다. 

위의 회로에서 Base와 Emitter 사이에는 Vbe 만큼의 전압차를 보이고 Collector는 Emitter와 Vce 만큼의 전압 차이를 보인다. 그로 인해 Vcb라는 전압 차이가 base와 collector 사이에 생기게 된다. 이 상태를 Active Forward bias로 부르고 어떻게 작동하는지 자세히 알아보자.

 

현재 Emitter는 highly doped 상태이고 base는 상대적으로 lightly doped 된 상태이다. 이로 인해 앞서 말한 것처럼 전자가 hole에 비해 많이 흐르게 된다. 그럼 이때 base의 depletion region으로 전자가 이동하게 되면 Electric field로 인해 collector로 전자가 흘러가게 된다. 그 결과 Collector에서 emitter로 전류가 흐르게 된다. 

그럼 여기서 몇 가지 질문이 생긴다. 

 

1. Emitter에서 올라온 전자가 Base에서 어떻게 움직일까? Drift or Diffusion?

 

base는 앞서 말한 것처럼 매우 얇다. 매우 얇다는 것은 전압 차이 매우 작다는 의미이다. 전압의 정의를 생각해보면 전기장을 거리에 대해 적분한 값이므로 얇다는 것은 거리가 매우 짧다는 의미임으로 이는 전압차가 매우 작다고 생각할 수 있다. 그럼 전압 차이가 작다는 것은 전기장이 작다는 것이고 이는 drift의 값이 매우 작다는 것이다. 그러므로 여기서는 농도차로 인한 diffusion이 발생한다. 

 

위의 그래프는 base 내부에서의 농도차로 인해 diffusion이 발생함을 보여주는 그래프이다. 

 

2. Vbe의 값을 증가시키면 어떤 변화가 생길까?

 

Vbe의 전압이 증가하면 결과적으로 아래와 같은 그래프 개형을 그리게 된다. 

이 그래프 개형에 대한 식을 증명하지는 않겠지만 위와 같이 표현한다. 이 식이 diode와 상당히 유사하다. 이는 n과 p의 접합을 이용해 만든 것이 transistor이기 때문에 비슷한 구조를 갖는 것이 당연하다. 이에 대해서는 다음 글부터 다루기로 하자.

 

V/R

 

윤