바이폴라 접합 트랜지스터 [Bipolar junction transistor / December 1947]

BJT(바이폴라 접합 트랜지스터)는 전자와 전자 구멍 두 가지 전하 운반체를 사용하는 트랜지스터의 일종이다. 반면, FET(필드 효과 트랜지스터)와 같은 단극 트랜지스터는 한 종류의 전하 운반체만 사용한다. 바이폴라 트랜지스터는 하나의 터미널에 주입된 작은 전류가 나머지 두 터미널 사이의 훨씬 더 큰 전류를 제어할 수 있게 해 주므로 증폭 또는 스위칭이 가능하다.

 

BJT는 두 개의 p-n 접합을 n형과 p형 반도체로 이루어진 영역 사이에 사용한다. 이 접합은 반도체 물질이 성장할 때 도핑을 변경하거나 금속 펠렛을 증착하여 합금 접합을 형성하거나 n형 및 p형 도핑 물질을 결정에 확산시키는 등의 방법으로 만들 수 있다. 접합 트랜지스터의 우수한 예측 가능성과 성능은 원래의 점접촉 트랜지스터를 빠르게 대체했다. 확산된 트랜지스터는 다른 부품들과 함께 아날로그 및 디지털 기능을 위한 집적 회로의 요소로 사용된다. 수백 개의 바이폴라 접합 트랜지스터를 매우 저렴한 비용으로 하나의 회로에서 만들 수 있다.

 

바이폴라 트랜지스터 집적 회로는 한 세대의 메인프레임 및 미니컴퓨터의 주요 활성 소자였지만, 대부분의 컴퓨터 시스템은 이제 FET를 사용하는 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 집적 회로를 사용한다. 바이폴라 트랜지스터는 여전히 신호 증폭, 스위칭 및 BiCMOS를 사용하는 혼합 신호 집적 회로에 사용된다. 특수한 유형은 고전압 스위치, 라디오 주파수(RF) 증폭기 또는 고전류 스위칭에 사용된다.

 

회로 다이어그램에서의 전류 방향은 양전하가 이동하는 방향으로 표시된다. 이를 전통적인 전류라 한다. 그러나 금속 전도체에서의 전류는 일반적으로 전자의 흐름에 의해 발생한다. 전자는 음전하를 가지므로 전통적인 전류 방향과는 반대 방향으로 이동한다. 한편, 바이폴라 트랜지스터 내부에서는 전자와 양전하를 가진 전자 구멍이 모두 전류를 구성할 수 있다. 본 기사에서는 전류 화살표는 전통적인 방향으로 표시되지만, 트랜지스터 내부에서의 전자와 구멍의 실제 방향을 나타내는 레이블이 있다.

 

트랜지스터 기호의 화살표는 베이스와 이미터 간의 p-n 접합을 나타내며, 전통적인 전류가 흐르는 방향을 가리킨다.

 

BJT는 pnp형과 npn형으로 존재하며, 이는 세 개의 주요 단자 영역의 도핑 유형에 따라 달라진다. NPN 트랜지스터는 두 개의 반도체 접합이 얇은 p형 영역을 공유하는 구조를 가지며, PNP 트랜지스터는 두 개의 반도체 접합이 얇은 n형 영역을 공유한다. n형은 전자를 제공하는 불순물(예: 인, 비소)로 도핑된 것을 의미하고, p형은 전자를 쉽게 받아들이는 전자 구멍을 제공하는 불순물(예: 붕소)로 도핑된 것을 의미한다.

 

 

NPN BJT는 전방 바이어스가 적용된 베이스-이미터 접합과 역방향 바이어스가 적용된 베이스-컬렉터 접합을 가진다. BJT에서의 전하 흐름은 두 가지 다른 전하 운반체 농도 영역 사이의 접합을 통한 전하 운반체(전자와 전자 구멍)의 확산에 의한 것이다. BJT의 영역은 이미터, 베이스 및 컬렉터라고 불린다. 분리된 트랜지스터에는 이들 영역에 연결할 수 있는 세 개의 리드가 있다. 일반적으로 이미터 영역은 다른 두 층에 비해 과도하게 도핑되고, 컬렉터는 베이스보다 훨씬 적게 도핑된다(일반적으로 10배 더 적음). 설계상 대부분의 BJT 컬렉터 전류는 과도하게 도핑된 이미터에서 베이스로 주입된 전하 운반체에 의한 것이며, 이들 운반체는 베이스에서 소수 캐리어(전자 NPN의 경우, 구멍 PNP의 경우)로 되어 컬렉터를 향해 확산한다. 그래서 BJT는 소수 캐리어 장치로 분류된다.

 

일반적인 동작에서는 베이스-이미터 접합에 전방 바이어스가 적용된다. 이는 p형 측이 n형 측보다 더 높은 전위에 있게 된다. 베이스-컬렉터 접합은 역방향 바이어스가 적용된다. 베이스-이미터 접합에 전방 바이어스를 적용하면, 열적으로 생성된 캐리어와 이미터 축전기의 반발 전기장이 평형을 방해하여 열적으로 흥분된 캐리어(전자 NPN의 경우, 구멍 PNP의 경우)가 이미터에서 베이스 영역으로 주입된다. 이들 캐리어는 이미터 근처의 고농도 지역에서 컬렉터 근처의 저농도 지역으로 베이스를 통한 확산 전류를 생성한다.

 

주입된 캐리어들이 컬렉터-베이스 접합으로 도달하기 전에 재결합되는 비율을 최소화하기 위해 트랜지스터의 베이스 영역은 얇아서 캐리어들이 그 안을 확산하여 컬렉터-베이스 축전기의 전기장에 의해 컬렉터로 밀려들 때까지의 시간이 반도체의 소수 캐리어 수명보다 훨씬 짧아야 한다. 베이스가 약하게 도핑되면 재결합 비율이 낮아지며, 특히 베이스의 두께는 캐리어들의 확산 길이보다 훨씬 작아야 한다. 컬렉터-베이스 접합은 역방향 바이어스로, 컬렉터에서 베이스로의 주입은 거의 없지만, 이미터에서 베이스로 주입된 캐리어는 베이스에서 컬렉터-베이스 축전기 영역에 도달하여 이 전기장에 의해 컬렉터로 밀려 들어간다. 얇은 공유된 베이스와 비대칭적인 컬렉터-이미터 도핑이 두 개의 별도의 다이오드를 직렬로 연결한 것과 바이폴라 트랜지스터를 구별하는 특징이다.

 

전압, 전류 및 전하 제어 컬렉터-이미터 전류는 베이스-이미터 전류(전류 제어)에 의해 또는 베이스-이미터 전압(전압 제어)에 의해 제어된다고 볼 수 있다. 이들 뷰는 베이스-이미터 접합의 전류-전압 관계에 의해 관련되며, 이는 p-n 접합(다이오드)의 일반적인 지수적인 전류-전압 곡선이다.

 

BJT는 발진기, 증폭기 등으로 사용되는 중요한 전자 소자이다. BJT는 에미터, 베이스, 콜렉터라는 세 가지 다르게 도핑된 반도체 영역으로 이루어져 있다. PNP 트랜지스터에서는 에미터가 P형, 베이스는 N형, 콜렉터는 다시 P형 반도체로 되어 있고, NPN 트랜지스터에서는 에미터가 N형, 베이스가 P형, 콜렉터는 N형 반도체로 되어 있다. 각 반도체 영역은 각각 에미터(E), 베이스(B), 콜렉터(C)라는 단자에 연결된다.

 

베이스는 물리적으로 에미터와 콜렉터 사이에 위치하며, 경도핑된 고저항 물질로 만들어진다. 콜렉터는 에미터 영역을 둘러싸고 있어, 에미터에서 주입된 전자가 베이스 영역에서 빠져나가지 않고 대부분 콜렉터로 모이게 되어 α 값이 거의 1에 가까워지고, 결과적으로 트랜지스터의 β 값이 크게 된다. BJT의 단면도를 보면 콜렉터–베이스 접합이 에미터–베이스 접합보다 훨씬 넓다는 것을 알 수 있다.

 

BJT는 다른 트랜지스터와 달리 보통 비대칭적인 소자이다. 즉, 에미터와 콜렉터를 바꾸면 트랜지스터가 순방향 활성 모드를 벗어나 역방향 모드에서 작동하게 된다. 트랜지스터의 내부 구조는 순방향 모드에서 가장 효율적으로 작동하도록 최적화되어 있기 때문에, 에미터와 콜렉터를 바꾸면 역방향 모드에서 α와 β 값이 순방향 모드에서보다 훨씬 작아진다. 역방향 모드는 보통 고장 안전 모드나 일부 종류의 바이폴라 논리 회로에서만 사용된다. 역방향 모드에서 베이스에 걸리는 역방향 전압 파괴가 순방향 모드에서보다 훨씬 낮다. 에미터는 주입 효율을 높이기 위해 많이 도핑되어 있는데, 이는 에미터에서 주입된 캐리어가 베이스에서 주입된 것보다 더 많이 주입되도록 하기 위함이다. 높은 전류 이득을 위해서는 에미터–베이스 접합에서 주입된 캐리어 대부분이 에미터에서 나와야 한다.

 

BJT는 실리콘과 같은 물질로 만들어지며, 특히 고속 응용을 위한 갈륨 비소로 만들어지는 경우도 많다. 이와 관련된 트랜지스터는 HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)로, RF 시스템 등에서 고주파 신호를 처리할 수 있도록 개선된 BJT이다.

 

BJT는 네 가지 동작 영역을 가지며, 각 영역은 접합의 바이어스 상태에 의해 정의된다. 순방향 활성 모드에서는 베이스–에미터 접합이 순방향 바이어스되고 베이스–콜렉터 접합은 역방향 바이어스된다. 이때 콜렉터–에미터 전류는 베이스 전류에 비례하여 변하게 된다. 역방향 모드에서는 바이어스를 반대로 하여 에미터와 콜렉터의 역할이 바뀐다. 이 모드는 트랜지스터가 설계된 순방향 활성 모드에서의 전류 이득보다 훨씬 작은 전류 이득을 가지게 된다. 포화 모드에서는 두 접합이 모두 순방향 바이어스되며, 높은 전류가 에미터에서 콜렉터로 흐르게 된다. 컷오프 모드에서는 두 접합이 모두 역방향 바이어스되어 매우 적은 전류가 흐르며, 이는 회로에서 논리 "꺼짐" 상태를 나타낸다.

 

BJT의 특성은 입력 전압에 따라 출력 전류가 크게 변하는 특성을 가진다. 이 특성 덕분에 BJT는 전압을 증폭하거나 스위칭하는 데 사용된다. 트랜지스터는 전류에 의해 제어되는 전류원으로 간주할 수 있으며, 전류 증폭기로서 주로 동작한다.

 

BJT( bipolar junction transistor, 바이폴라 접합 트랜지스터)의 역사

 

바이폴라 포인트 접촉 트랜지스터는 1947년 12월 존 바딘(John Bardeen)과 월터 브래튼(Walter Brattain)에 의해 벨 전화 연구소에서 윌리엄 쇼클리(William Shockley)의 지도 아래 발명되었다. 이 초기 형태의 트랜지스터는 전자공학에 혁신적인 변화를 가져왔지만, 곧 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)로 대체되었다. BJT는 1948년 쇼클리에 의해 발명되었으며, 이후 30년 동안 이 장치는 분리형 및 집적 회로 설계에서 주로 사용되었다.

 

시간이 흐르면서 BJT의 사용은 CMOS 기술(상보형 금속산화물반도체)의 등장으로 인해 감소했다. CMOS 기술은 디지털 집적 회로 설계에서 널리 사용되었다. 그럼에도 불구하고, BJT는 여전히 밴드갭 전압 참조, 실리콘 온도 센서 및 정전기 방전(ESD) 처리와 같은 특정 응용 분야에서 활용되고 있다. 이는 이러한 분야에서 BJT가 가지고 있는 특별한 장점 덕분이다.

 

게르마늄 트랜지스터

1950년대와 1960년대에는 게르마늄 트랜지스터가 더 많이 사용되었지만, 열 runaway(온도 상승에 따라 전류가 통제할 수 없이 증가하는 현상)에 취약한 단점이 있었다. 게르마늄 트랜지스터는 실리콘보다 낮은 순방향 바이어스를 가지고 있어 더 낮은 전압에서 켜지며, 이로 인해 상대적으로 과열되는 경향이 있었다.

 

초기 제조 기술

바이폴라 트랜지스터의 성능을 향상시키기 위해 다양한 초기 제조 기술들이 개발되었다. 이 방법들은 포인트 접촉 트랜지스터와 같은 최초의 트랜지스터부터 접합 트랜지스터, 확산 트랜지스터, 평면 트랜지스터와 같은 더 발전된 형태까지 다양했다.

포인트 접촉 트랜지스터(1947): 최초의 트랜지스터였지만, 높은 비용과 소음 때문에 상업적으로 제한된 성공을 거두었다.

접합 트랜지스터: 이 범주에는 쇼클리가 개발한 첫 번째 진정한 BJT인 성장 접합 트랜지스터와 합금 접합 트랜지스터가 포함된다.
확산 트랜지스터: 1950년대와 1960년대에 개발된 현대적인 트랜지스터로, 더 신뢰할 수 있고 대량 생산 가능한 BJT가 되었다.
평면 트랜지스터: 1959년 장 호에르니(Jean Hoerni)가 페어차일드 반도체에서 개발했으며, 이는 단일 집적 회로(monolithic integrated circuit)를 가능하게 만든 중요한 발전이었다.

 

BJT 작동 원리

BJT의 작동 원리는 PN 접합 개념을 통해 이해할 수 있다. BJT는 베이스와 이미터, 그리고 콜렉터와 베이스 사이의 두 개의 PN 접합으로 구성된다. 활성 모드에서 베이스-이미터 접합은 순방향 바이어스(전류가 쉽게 흐름), 반면 베이스-콜렉터 접합은 역방향 바이어스(전류 흐름 방지)가 되어, 이를 통해 BJT는 작은 베이스 전류를 훨씬 큰 콜렉터 전류로 증폭할 수 있다.

 

대신 신호 모델

1954년 Jewell James Ebers와 John L. Moll은 트랜지스터의 거동을 설명하기 위해 Ebers-Moll 모델을 제안했다. 이 모델은 이미터, 베이스 및 콜렉터 전류가 어떻게 관련되는지 이해하는 데 도움을 주며, BJT에서의 순방향 및 역방향 이득을 설명한다.

 

이미터 전류(I_E)는 베이스-이미터 전압(V_BE)과 관련이 있다.
콜렉터 전류(I_C)는 이미터 전류와 순방향 전류 이득(α_F)에 의존한다.
베이스 전류(I_B)는 이미터 전류와 콜렉터 전류의 차이다.

 

베이스 폭 변조와 펀치스루

베이스 폭 변조(early effect)는 콜렉터-베이스 전압이 증가함에 따라 베이스 폭이 줄어들고 콜렉터 전류가 증가하는 현상이다.
펀치스루(punchthrough)는 베이스-콜렉터 고갈 영역이 지나치게 확장되어 트랜지스터가 증폭 능력을 상실하는 현상이다.

 

Gummel–Poon 전하 제어 모델

Gummel–Poon 모델은 트랜지스터 동역학에 대한 고급 전하 제어 모델로, 트랜지스터의 β(전류 이득)가 DC 수준에 의존하는 특성을 설명하며, BJT의 거동을 보다 정밀하게 설명한다.

 

소신호 모델

소신호 거동을 분석하기 위해 하이브리드 파이(hybrid-pi) 모델이 자주 사용된다. 이 모델은 저주파 분석에서 특히 유용하며, 입력 임피던스, 출력 임피던스, 전류 이득과 같은 소신호 파라미터를 계산하는 간단한 방법을 제공한다.

 

hFE의 어원

트랜지스터 데이터 시트에서 널리 사용되는 hFE 파라미터는 공통 이미터(CE) 구성에서 "순방향 전류 이득(forward current gain)"을 의미한다. 이 파라미터는 트랜지스터의 콜렉터 전류와 베이스 전류의 비율을 나타내며, 일반적으로 무차원 값이다. 이 모델의 이름은 하이브리드 파라미터 모델에서 유래했다.

 

포인트 접촉 트랜지스터에서 현대적인 평면 트랜지스터로의 발전은 반도체 기술의 급격한 진화를 보여주며, 트랜지스터는 현대 전자공학에서 필수적인 구성 요소가 되었다.