정말 우리가 전자회로를 다루는것에 있어서 우리 생활을 바꿔준 것이 있다면
역시 트랜지스터.. 일명 TR이라고 하는 놈이 빠질 수 없다는 생각이 듭니다.
아마 이놈없이는 생활의 90% 이상이 마비되지 않을까 하는 생각이 드네요.
정말 중요한 것인데.. 그 소중함을 자주 잊고 살아가는 것이 보통인 것처럼..
이번기회에 이놈에 대해 파해쳐보면서 TR의 소중함을 일깨워 봐야 하겠습니다!
일단 트랜지스터라고 하는 것은 앞에서 정리한 PN Junction Diode의 응용이라고 하겠습니다.
왜냐하면 P형 반도체와 N형 반도체의 접합에 다시 N형이나 P형 반도체를 붙여서 만든 것이니까요~
하지만 사실 요즘은 FET(Field-effect Transistor)란 놈이 대세라서 점차 BJT가 밀리고 있지만..
FET가 나오는 기반을 마련해준 것이 BJT이기 때문에 BJT를 먼저 알아보도록 해요~
일단 회로 기호와 종류는 아래 그림과 같아요~
위와 같이 NPN형과 PNP형이 있구요.. 3개의 단자를 가지게 되는데..
각각 Base, Collector, Emitter.. 베이스, 컬렉터, 이미터라고 불러요~
회로기호에서 이미터에 화살표가 그려져 있는데 이는 전류가 흘러가는 방향을 나타내는 것이랍니다.
제가 회색으로 더 자세하게 전류의 방향을 다시 그려넣었습니다.
또한 중요하게 봐야 할것이 이미터는 컬렉터와 다르게 '+'가 기호가 붙어있는데..
이는 더 짙은 농도로 도핑(doping)이 되었다는 것을 의미해요~! 이유는 나중에 설명하겠지만..
딱보더라도 컬렉터와 같은 농도의 doping이라면 극성의 구분이 없으니까요~물론 그에따라 특성도 같아버리니..
극성 구분의 의미가 없겠지요~
그래서 이미터는 좀 더 짙은 농도로 도핑을 해요~
그럼 일단 TR이 내부적으로 어떻게.. 또한 왜? 그렇게 동작하는지 살펴보아요~
NPN TR의 Active mode의 동작을 위의 그림에서 설명하고 있습니다.
PNP TR이나 NPN TR이나 Active mode에서 동작하기 위해서는 위와 같이 E-B에 순방향 전압(Forward bias)를
걸어주고, C-B에는 역방향 전압(Reverse bias)를 걸어주면 되겠습니다.
일단 NPN TR이다 보니 전류의 주된 원인은 전자가 되겠구요.(사실 정공도 기여를 하지만 전자가 더 많이 기여합니다
즉, PNP TR에서는 정공이 전류의 주된 역할을 하게 되지요.)
본래 평형상태에서는 이미터와 베이스 사이에 공핍층이 형성되어있기 때문에 전자가 이미터에서 베이스로 쉽게 넘어가
지 못하지만 위와 같이 순방향 전압을 걸어주게 되면 다이오드에서 정리했던 것과 같이 전위장벽이 낮아지고 공핍층이
얇아져서 충분히 전자가 이미터에서 베이스로 넘어올 수 있게 됩니다.
이렇게 많은 수의 전자가 이미터에서 베이스로 넘어오게 되면 그 전자들은 컬렉터 쪽으로 빠르게 drift를 하게 되는데요..
우리가 다이오드때 배웠던 도핑 농도에 따른 확산(diffusion)과는 달리 전기장에 의한 전류가 바로 드리프트 전류라고 합니다.
즉, 위에서 컬렉터 쪽에는 높은 +전압이 걸려있기 때문에(그림에서 보시면 컬렉터 쪽이 전지의 +극이니까요~)
전자는 -전하를 띄고 있으므로 강한 +전압에 의한 전기장에 이끌려 휘리릭~하고 컬렉터쪽으로 끌려들어간다 이겁니다.
혹시나 해서 하는 이야기 인데 전자의 이동방향과 전류의 이동방향은 반대라는 것을 꼭 알아주셨으면 좋겠어요~!
반대로 정공의 이동방향과 전류 흐름의 방향은 같은 방향이에요! 그래서 PNP TR에서는 정공이 다수 캐리어니까
정공의 방향대로 전류가 흐른다고 생각하시면 됩니다~
하지만 그렇다고 위의 NPN TR에서 전자만 흐르고 있는 것이 아니에요~ 정공도 똑같이 전자와 반대 방향으로 흐르고 있다는 것을 꼭 알아주었으면 좋겠습니다. 헷갈릴까봐 제대로 그려놓지는 않았지만 전자가 이미터에서 컬렉터로 갈때 정공도 컬렉터에서 이미터로 가는거에요~ 사실 그래서 BJT라고 하는데요.. 다수 캐리어인 전자와 소수 캐리어인 정공에 의해서 전류가 만들어 지므로.. 두 개의 인자가 관련되니까 바이폴러(Bipolar)라고 하는 것입니다.
나중에 이야기 하겠지만 JFET(Junction Field-effect Transistor)같은 경우는 다수캐리어만 존재하여 Unipolar 라고 해요~
그런데 여기서 잘 생각해 볼것이 있습니다.
사실 C-B에만 역방향 전압을 주더라도 약간의 미세한 전류는 흐르고 있습니다. 다이오드의 I-V 특성곡선에서 실제로 PN접합의 역방향 바이어스일때 역전류가 0이 아니라고 했으니까 말입니다.
하지만 E-B 사이에 순방향 전압(약 0.6~0.7V 정도의 작은 전압)을 걸어주어 약간의 베이스 전류를 흘려주어 E-B 사이의 전위장벽만 살짝 낮춰주면 이미터의 전자가 컬렉터로 마구 쏟아져 들어오게 되니까 C-B측에서보면 갑자기 역전류가 증폭을 한 것처럼 잘 흐르는 것처럼 보이게 되는 것이죠.
다시 정리하자면
작은 베이스 전류(수십uA~1mA정도)로 미세했던 컬렉터 전류가 수배에서 수십배 정도로 증폭되어 버린다
는것이죠! 전류증폭이 일어나는 것입니다~! 그래서 트랜지스터가 전류증폭을 한다는 말이 되는 것이죠~
그래서 우리가 TR의 전류증폭율을 이야기 할때는 아래와 같아요~
TR의 전류 증폭율 = 컬렉터 전류의 변화량 / 베이스 전류의 변화량
예를 들어 비유하면 이미터는 물이 공급되는 수도관이구요.. 베이스는 수도밸브가 되고, 컬렉터는 물이 나오는 수도꼭지라 생각하시면.. 수도관(이미터)에서 물(전자)이 공급되는데, 수도밸브(베이스)가 막혀잇으면 수도꼭지(컬렉터)에서 물이 나오지 않다가 수도 밸프를 열면(베이스에 전류가 흐르면) 수도꼭지에서 물이 꽐꽐 나오는 것과 같은 원리입니다.
위의 그림에서 한가지 더 중요한 요소가 있는데요..
이미터에서 베이스로 전자가 유입되면 원래는 베이스의 다수 캐리어인 정공과 결합하여 이미터의 전자가 컬렉터로 가지 못하고 베이스에서 재결합이 일어나 전자가 소멸되어 버리게 됩니다. 그럼 그만큼 컬렉터의 전류가 줄어들게 되겠네요.
그렇게 되면 효율이 떨어져 버리게 되니까 실제로 공정에서는 베이스단의 폭을 굉장히 얇게 만들어 버립니다. 이렇게 하면 베이스에 머무는 시간이 적어지게 되니까 몇 개의 전자(예를 들면 100개 중의 1~2개)는 희생하더라도 많은 수의 이미터 전자들이 컬렉터로 들어갈 수 있겠죠~^^
여기서 우리는 결론적으로 TR의 동작은 Base의 전류 Ib에 의해서 컬렉터 전류 Ic가 영향을 받는 다는 것을 알 수 있어요..
그렇다면 Ic는 베이스 전류인 Ib에만 영향을 받는것이니까 컬렉터 전압인 Vce가 더욱 증가할 수록 Ic는 어느정도 일정하게 나가야 하는데 그렇지 않아요~ 아래그림을 보시지요~
즉, 위와 같이 Ib가 증가할 수록 Ic가 증가하긴 합니다만.. 어느정도가 되면 기울기가 급격한 Saturation 영역에서
Active linear 영역으로 가면서 완만한 증가의 기울기가 됩니다. 일정하지가 않구요~
그렇다면 왜 일정하지 않고 증가할까요?
그 이유는 Base와 Collector 사이의 공핍층이 넓어져서 Base의 폭이이 줄어들었기 때문입니다.
아까 위에 베이스가 좁아야 이미터에서 넘어온 전자가 재결합을 많이 하지 않고 컬렉터로 넘어와서 전류 증폭의 효율이
좋아진다고 했으니까.. C-B같의 공핍층이 증가할 수록 베이스 층이 좁아지니까 그만큼 증폭효율이 좋아져서 Ic가 증가하게되는 것이에요~ 이것을 우리는 Early Effect라고 합니다.
하지만 만약에 Vce가 너무 커져서 공핍층이 베이스 영역을 모두 차지해 버린다면.. 베이스 영역이 없어지게 되잖아요..
그 상황을 우리는 펀치 쓰루(Punch-Through)라고 하고.. 그렇게 되면 이미터와 컬렉터가 합쳐져 버려서 커다란
Breakdown voltage가 형성되고 급격한 역전류가 흐르게 되는거죠~ 그럼.. TR 기능을 못하게 되는 거에요~!!
이런 이유로 최대 Vce를 각 TR의 Datasheet에 명시하도록 되어있습니다요~
