Chapter 4-1) Bipolar Junction Transistor (BJT) 기초
※시작에 앞서, 학업을 위해 정리해 놓은 내용들이므로 틀린 부분이 있을 수 있다.
1. Voltage-Dependent Current Source
2. Structure and Symbol of Bipolar Transistor
3. Foward active Region
4. Accurate Bipolar Representation
5. Carrier Transport in Base
6. Collector Current
7. Simple Transistor Configuration
8. Emitter, Base Current
이번 포스팅에서는 앞으로 배울 BJT에 대한 기초 내용에 대해서 다루어 보고자 한다.
우선 BJT에 대해서 정리하기 전에,
우리가 BJT를 사용하는 목적은 단순 스위치만이 아닌, amplifier처럼 증폭을 하기 위해서 사용한다.
이를 위해, BJT를 배우기 전에, voltage-dependent current source라는 개념이 나온다.
짚어보고 넘어가보자!
1. Voltage-Dependent Current Source
해석 그대로, 전압에 종속적인 전류전원이다.
다음 그림을 보자.
빨간색 화살표로 KVL을 세우고 다음과 같이 식을 전개해보자.
A_V amplified된 전압 진폭이 다음과 같이 나옴을 알 수 있다.
이 내용을 그래프로 나타내보자.
다음과 같이 위상은 뒤집히고, 증폭된 V_out을 이끌어낼 수 있다.
BJT에서는 이와 같은 원리로 전류를 증폭시켜서 V_out을 만들게 되기에, BJT를 배우기 전에 이 내용을 배우게 된다.
2. Structure and Symbol of Bipolar Transistor
BJT의 종류에 따라 npn형, pnp형이 될 수 있으며, 우리가 이번 단원에서 주로 다루는 타입은 npn BJT이다.
먼저 BJT의 구조와 회로 모양에 대해서 알아보자.
다음과 같이 BJT를 나타낼 수 있다.
Emitter, Base, Collector 구조로 나누어지며, 왜 해당 이름으로 불려지는 지는 목차 4번에서 알아볼 것이다.
그리고 emitter부분의 n타입 반도체는 도핑 농도 N_D가 굉장히 높다. 이렇게 한 이유도 목차 4번에서 알게 될 것이다.
마지막으로, npn의 p타입 반도체는 그 두께가 얇다. 그 이유도 목차 4번에서 알아볼 것이다.
3. Foward active Region
BJT가 동작하는 mode 중 하나인 Foward active에 대한 내용이다.
Foward active mode로 BJT를 동작시켜주고 싶으면 다음과 같은 조건을 만족시키면 된다.
우선 회로를 보자.
Foward active 모드가 되기 위해서는 다음과 같은 조건을 만족시켜야 한다.
Base에서 인가해주는 전압이 Collector에서 인가해주는 전압보다 작아야 하고
Base와 Collector 사이의 전압이 0보다 작아야한다.
이렇게 해야 되는 이유 또한 목차 4에서 설명이 된다.
4. Accurate Bipolar Representation
제일 중요한 목차이다. BJT가 어떤 식으로 작동을 하는지 알아볼 것이다.
다음 사진을 보면서 천천히 따라가보자!
결국 전자가 Emitter에서부터 Collector까지 흘러 전류가 발생하게 되는 것이다. 이 때 V_out 또한 증폭이 된다.
이 과정을 그대로 진행해보면 왜 BJT의 각 부위가 Base, Emitter, Collector가 되는지 알 것이다.
Base는 어느 정도의 전압을 인가하느냐에 따라, BJT의 움직이 전혀 달라진다.
Emitter는 말 그대로 high doped된 반도체에서 전자를 보내주는 역할을 하기에 emitter라고 한다.
Collector는 Emitter에서 시작해서 Base를 지나온 전자들을 받는 곳으로 collector라고 한다.
이렇게 명칭을 보고 BJT를 보면 보다 작동 과정이 쉽게 이해가 된다.
(나도 공부하다 보니 그렇게 됐다 ㅎ)
5. Carrier Transport in Base
Base에서 캐리어의 이동에 대해 자세하게 살펴보자.
이와 더불어 이번 목차에서는 흐르는 전류를 더 크게 하는 방법에 대해서 알아보고자 한다.
다음 그림을 보자.
다음과 같이 diffusion이 생기게 된다.
물리전자 과목에서 e의 gradient로 인해 그 흐르는 전류가 달라진다고 공부했었다.(경사도)
만약 흐르는 전류를 크게 해주려면 어느 방법을 해주는게 좋을까?
Reverse bias를 걸어줘서 collector와 base 사이의 depletion region(공핍 영역)을 크게 해주면 된다.
그렇게 되면 gradient(경사도)는 자동으로 커지게 되고, diffusion이 더 크게 일어나면서 전류도 그만큼 더 크게 흐른다.
위 그림과 같이 reverse bias를 더 걸어주어 depletion region을 늘리면 된다!
그러면 Gradient 값이 커지고(경사가 가파라지고) diffusion이 더 크게 일어나면서, 전류가 많이 흐른게 된다.
6. Collector Current
먼저 collector에 흐르는 전류에 대해서 알아보자.
다이오드에서도 다이오드에서 흐르는 전류를 exponential form으로 나타냈듯이,
BJT의 collector에서 흐르는 전류 또한 다이오드의 exponential form과 같다. 변수만 다를뿐이다.
Collector current는 다음과 같이 나타낸다.
여기서 A_E는 emitter의 면적을 뜻한다.
그리고 여기서 알 수 있듯이, I_C는 V_C와는 상관이 없다. 즉, I_C는 current source처럼 보인다고 해도 된다.
7. Simple Transistor Configuration
간단한 예제로 Foward active mode인 BJT를 해석해보자.
교재에서는 다음과 같은 회로를 제공한다.
우선 간단하게 식에서 사용될 변수의 값들을 선언해보자.
위 parameter들을 이용하여 collector current를 구해보자.
그리고 1K Ohm 저항에 걸리는 전압을 계산하고, V_out을 계산하면 다음과 같다.
이와 같이 V_out을 구함으로써 우리가 도달할 수 있는 결론은 다음과 같다.
- 이 회로는 Forward active region을 만족한다. (V_BE < V_CE, V_BC < 0)
- BJT 통해 V_in = 750mV가 V_out = 1.31로 증폭됐음을 확인할 수 있다
8. Emitter, Base Current
이전까지는 I_C인 collector current를 봤으므로, 남은 current인 emitter와 base current에 대해서 알아보자.
우선 Base current에 대해서 알아보자.
가주 간단한 식이다.
베타 값은 소자를 생성하는 곳에서 설정돼서 나오는 상수 값이다.
(회사마다 상이)
Emitter current는 다음과 같은 과정을 통해 구할 수 있다. (BJT에서 KVL 적용한다.)
이와 같이 Base current와 Emitter current를 구할 수 있다.
서로 식을 잘 조합하다 보면 결과가 이와 같이 도출된다!
다음 포스팅에서는 BJT를 Large Signal 관점에서 해석하는 방법에 관한 내용을 포스팅 할 예정이다.