Bipolar Transistor

Bipolar Transistor

바이폴러 트랜지스터(bipolar transistor)란 일명 접합형 트랜지스터라고도 부르는데 전자와 정공(hole)의 두 가지 캐리어가 전류에 관여해 그 쌍방의 이동에 의존해 동작하는 트랜지스터를 말한다. 　  트랜지스터는 크게 바이폴러 트랜지스터와 전계효과 트랜지스터(field effect transistor:FET)로 나뉘며 바이폴러 트랜지스터는 MOS(metal oide semiconductor) 트랜지스터와 함께 오늘날의 반도체 집적회로산업의 근간이 되는 중요한 반도체소자이다.  MOS 전계 효과 트랜지스터(MOS FET)는 전류를 전달하는 캐리어가 전자 또는 정공(반도체 가전자의 빈자리)의 한쪽 뿐인 것에 대해 바이폴러 트랜지스터는 그 기본동작에 전자,정공의 양쪽 캐리어가 기여하고 있기 때문에 쌍극성을 의미하는 바이폴러라는 이름이 붙여지게 됐다.

바이폴러 트랜지스터는 고주파용 트랜지스터, 대전력용 트랜지스터, 그리고 NPN트랜지스터와 PNP트랜지스터를 조합한 PNPN 구조의 사이리스터 등으로 아날로그회로, 디지털회로, 대전력 스위칭회로 등에 사용되고 있으며 바이폴러 IC/LSI는컴퓨터나 통신용의 초고속 디지털 IC로서 또 저잡음 특성 등을 이용한 오디오나 TV,VCR용의 리니어 IC로서 전자 산업의 매우 중요한 부품으로 취급되고 있다. [그림1]

1. BJT 역사

바이폴러 트랜지스터는 일찌기 1947년 미국 벨연구소의 브래튼(J. Brattain)과 바딘(W. H. Bardeen)에 의해 게르마늄 단결정의 정유특성 연구중에 힌트를 얻어 발명한 것인데 이 점접 촉형 트랜지스터(point contact transistor)는 1949년 쇼크리(W. Shockley)에 의한 합금접합형 트랜지스터가 제안돼 양산 가능한 구조의 트랜지스터로 개발됐다. [그림2](a) 게르마늄 단결정으로 만든 최초의 BJT              (b) 트랜지스터 발명가,Bardeen,Schockley,Brattain (a) (b)

2. BJT 란?

용어 의미 Bipolar(쌍극성) 두개의 극성을 가지며 두 종류의 반송자, 즉 정공과 자유전자가 모두 전류 메카니즘에 관여한다. Junction(접합) PN접합이 두개 존재한다. Transistor(트랜지스터) 두개의 PN접합이 구성된것이 아니라 Base에 의해 저항값이 변화된다.

3극 진공관은 진공 용기 안에 3개의 전극을 넣었다.다이오드에 비해 중간에 Grid라는 전극이 하나 더 들어가 있다. 구성은 (+) 전극을 걸어줄 수 있는 Anode가 있고 (-)전극을 걸어줄 수 있는 Cathod가 있다. Cathod에는 자유전자를 발생시킬수 있는 텅스텐 필라멘트가 있고 텅스텐 필라멘트에는 별도의 전원을 인가할 수 있는 전극이 있다.  전원이 가해 질 경우 필라멘트에서 열이 나며 텅스턴 안에 있는 자유 전자들이 텅스텐 바깥으로 튀어나가서 진공관 안에 자리를 잡게 된다. 이 전자들은 Anode에 (+)전압이 걸리면 (-) 쪽 Cathod 방향으로는 밀려지고 (+)전극 Anode쪽으로 당겨져서 Cathod에서 Anode쪽으로 이동하게 된다.  전기를 띤 입자들이 이동한다는것은 전류가 이동한다는 것이다. 여기까지는 다이오드의 기능과 같다. 전류의 흐름은 전자가 이동하는 중간에 있는 Grid에 의해 이동 형태가 달라진다. Grid에 (+) 전하가 걸리게 되면 Cathod쪽의 전자는 곧바로 Anode쪽으로 이동하게 되지만 (-)전하가 걸리게 되면 Anode쪽으로 가는 전자를 방해하게 된다. 따라서 Grid에 의해서 전류를 제어할 수 있게 된다. [그림3] 3극 진공관

트랜지스터는 [그림4] 처럼 PNP형태를 가지고 있다. 진공관이 3개의 전극 Anode,Grid,Cathod로 구성되어 있는것처럼 트랜지스터는 Collector,Base,Emitter의 3개의 전극으로 구성되어 있다. 기본적인 작용은 Emitter에서 출발한 정공이 Collector에 도달하게 되면 전류가 흐르게 된다. 3극 진공관이 Grid에 의해 전류를 제어하는 것과 마찬 가지로 트랜지스터에서는 Base에 의해서 전류를 제어하게 된다. Base에 어떠한 저항 값이 전해지느냐에 따라서 Emitter,Collector의 저항값이 변하게 된다. 즉 저항값을 Base에서 바꿀 수 있다는개념에서 'tranfer register'에서 'transistor'가 된 것이다. [그림4] BJT

2. BJT 종류

BJT(Bipolar Junction Transistor)는 두종류의 것이 있다.

PNP 트랜지스터는 Emitter,Collector가 P형 반도체 물질로 구성되어 있고 Base는 N형 반도체 물질로 구성 되어 있다. [그림5]의 회로 기호로 보면 화살표 방향이 있는 부분이 항상 Emitter가 된다. 화살표 방향은 전류의 방향을 나타낸다. [그림5] PNP 트랜지스터 　  [그림6]에서와 같이 NPN 트랜지스터는 PNP와 서로 반대의 구조를 가지고 있다. 이는 반도체에 Doping하는 물질이 서로 반대이다. Emitter, Collector 는 N형 반도체, Base는 P형 반도체물질로 구성되어 있다.  [그림6] NPN 트랜지스터

3. BJT 의 구조

BJT의 단면적을 살펴 보면  Collector의 부피가 상당히 크게 되어 있는 반면 Emitter의 부피는 상대적으로 작다. 하지만 Emitter 쪽은 불순물 농도는 매우 높게 도핑이 되어 있다. Base의 폭은 수 마이크로미터 정도로 매우 얇게 도핑 되어 있다. 그렇기 때문에 Emitter에서 Collector 쪽으로 쉽게 끼워 넣을 수 있다.  Collector 는 Emitter보다 농도가 작게 도핑 되어 실제 시판 되고 있다.  BJT 구조에서 Emitter와 Collector는 같은 물질의 반도체(즉, 같은 N형 이거나 P형)로 구성되어 있으나 그 부피나 농도는 다르게 제작 되어진다. 　 [그림7]

4. BJT 제작과정

[그림8]은 PNP 형 반도체를 만드는 과정을 보이고 있다. 먼저 N형 반도체 물질을 기본 물질로 쓰인다. 그리고 양쪽에 P형 물질을 배치한다. 그후 온도를 가하여 확산을 시키면 양쪽에서 P형 물질이 N형쪽으로 확산하면서 들어 간다. 이때 P형 물질 중간에 있는 N형 물질의 폭이 좁아지게 된다. 합금법은 단일 소자를 만들 때는 유리하나 집적소자를 만들때는 쓰이지 않는다. [그림8] 합금법

[그림9]의 확산법은 반도체 집적회로 제작에 주로 쓰인다. 제작 과정은 먼저 Base가 되는 물질 위에 마스킹을 한다. [그림9] 에서는 P형 물질 위에 마스킹 후 N형 물질을 확산 시킨다. 그러면 P-N 접합이 생기고 N형 물질 위에 다시 P형 물질을 도포하고 확산 시킨다. 그럼 결과적으로 P-N-P 구조가 된다. 이러한 방법 이외에 이온 주입(Ion Implantation)을 통하여 필요한 불순물을 주입할 수도 있다. [그림9] 확산법

5. BJT 동작

트랜지즈터는 기본적으로 전류를 증폭 시키는데 쓰인다. 작은 전류가 base에 인가되면 collecotor 단에서 증폭이 된다. Base에 인가된 전류의 변화가 작더라도 collector에서는 훨씬 접류의 변화가 있다. Emitter,base,collector에서 나가거나 들어오는 전류들은 Kirchoff의 법칙에 따른다.

Ib = Ie - Ic  Ib: Base단 전류,  Ie: Emitter단 전류, Ic: Collector단 전류

Ic 단의 전류가 Ib에 비해 매우 커지게 되면 Ie는 Ic에 가까워 진다. 다시 말해서 base 쪽에 약간의 전류를 받으면 emitter에서 collector사이에 큰 전류가 흐른다는 것이다. 이와 같은 트랜지스터는 스위치나 증폭기로 매우 유용하게 쓰인다.

[그림10]은 NPN의 기본 동작을 나타내고 있다. Emitter쪽에 순방향 bias를 걸어 주고 collector단에 역방향 bias를 걸어 주게 되면 비로소 동작이 된다. 즉 N형 반도체 하나만을 놓고 생각해 보면 Emitter 단에 (-), Collector단에 (+)를 걸어 주어야만 전류가 통하기 때문이다. 이때 자유 전자는 Emitter단에서 Collector단으로 이동하게 되는데 중간의 접합층 즉 Base 층(N-P의 접합부분)에 적절한 전압을 걸어 주어 자유 전자가 이동할 수 있도록 해준다. Emitter 단의 전압은 접촉 전위차를 극복할 수 있을 정도(1~2V)면 되지만 Collector 단의 전압은 Emitter단의 전자를 끌어 당길 수 있을 정도의 큰 전압이 필요하다. Emitter에서 Collector로 전자가 이동시 Base영역에서 일부는 재결합이 이루어 지므로 이를 최소로 하는 것이 성능을  높이는 것이 된다. [그림10]