본문내용
1. 트랜지스터의 구조와 동작
1.1. NPN, PNP접합
NPN 접합은 두 개의 N형 반도체 사이에 아주 얇은 P형 반도체를 끼운 샌드위치 구조이다. 이렇게 N과 P와 N의 세 부분으로 이루어진 NPN 접합은 하나의 단결정에 제작된다. 이 세 개의 전극을 에미터(Emitter), 베이스(Base), 컬렉터(Collector)라고 하며 기호로 E, B, C로 나타낸다.
PNP 접합은 NPN 접합과 반대로 P형 반도체 사이에 아주 얇은 N형 반도체가 끼워진 구조이다. 역시 이 세 부분이 하나의 단결정에 제작되어 있다. PNP 접합 트랜지스터에서 에미터, 베이스, 컬렉터 전극 또한 각각 E, B, C로 나타낸다.
NPN 접합과 PNP 접합의 차이점은 주요 캐리어가 자유전자와 정공이라는 점이다. NPN 접합에서는 주요 캐리어가 자유전자이고, PNP 접합에서는 주요 캐리어가 정공이다. 이에 따라 NPN과 PNP 트랜지스터의 동작 특성이 달라진다.
1.2. 에미터 작용
NPN 접합에서 에미터는 N형 자유전자를 아주 많이 가지고 있으며, 베이스는 P형으로 전공의 양이 에미터의 자유 전자량보다 훨씬 적어야 한다. 또한 베이스 두께(베이스 폭 : Wb)는 아주 얇아야 한다. 에미터와 베이스간 PN 접합이 순방향이 되도록 전압을 걸면 이때 약간의 에미터-베이스간 전압 VEB로 큰 전류 IE가 흐를 것이다. 순방향 전류를 운반하는 캐리어는 에미터에서 베이스에 주입되는 자유전자와 베이스에서 에미터로 주입되는 정공의 양쪽이지만, 에미터의 불순물 농도를 베이스의 농도보다 훨씬 크게 하였기 때문에 에미터 전류는 주로 에미터에서 베이스로 주입되는 자유전자에 의존하고 있다".
1.3. 컬렉터의 작용
컬렉터는 베이스측에서 공핍층에 들어오는 자유 전자를 모으는 작용을 하는 전극이다. 그림 7에서 C-B간의 PN접합에 역방향 전압 VCB를 건 상태이며 이 경우 접합 부근에서 열적으로 발생하는 소수 캐리어 때문에 약간의 역방향 전류밖에 흐르지 않을 것이다. 이것을 콜렉터 차단 전류(ICBO)라고 한다. 보통의 트랜지스터 동작에서 콜렉터와 베이스간은 역방향 바이어스로 하여 사용하기 때문에 차단전류는 아주 작아야 한다. 역방향 전압을 자꾸 높여가면 어느 지점에서 콜렉터와 베이스간 PN접합은 항복(Breakdown)을 일으켜 IC가 급증하므로 트랜지스터로서 사용할수 있는 것은 항복 전압보다 낮은 곳에 한정 된다. 이 항복전압은 컬렉터나 베이스측의 불순물 농도중 작은쪽(비저항이 높은쪽)에 의해 결정되므로 고내압 트랜지스터는 비저항이 높은 반도체 재로를 사용한다. C-B간 전압에 의해 PN접합에 공핍층이 생기고 이공핍층은 높은 전계가 걸려 있어서 여기에 자유 전자가 들어오면 자유전자는 즉시 컬렉터축에 끌려들여져 컬렉터 전류가 된다.
1.4. 트랜지스터에서 전류가 흐르는 과정
NPN접합에서는 에미터에서 베이스로 주입된 자유전자가 베이스 내를 확산해 가지만 베이스폭이 좁아 자유전자의 대부분은 베이스를 통해 컬렉터 가까이에 도달한다. 여기서 C-B간 접합의 공핍층 전계에 끌려들여저 컬렉터에 흘러 컬렉터 전류가 된다. 이컬렉터 전류는 베이스중 자유전자의 농도에 비례하고 이 자유전자 농도는 에미터 전류에 비례하고 따라서 컬렉터 전류는 에미터 전류에 의해여 제어 된 것이 된다. 이때 전류 증폭률 가 된다. 는 1에 가깝지만 (예를들어 0.99, 0.999) 1이상이 되는 경우가 없다 바꾸어 말하면 이 트랜지스터에서 전류 증폭률로서는 마이너스 즉 감소 될 것이다.
1.5. 전류 증폭률의 크기 결정
전류 증폭률의 크기는 트랜지스터의 주요 특성 중 하나로, 에미터에서 베이스로 주입된 자유전자가 베이스를 통해 컬렉터까지 도달하는 과정에서 결정된다.
NPN 트랜지스터의 경우, 전류 증폭률 α는 (주입효율) x (전송효율) x (수집효율)로 표현된다. 첫째, 주입효율은 에미터와 베이스의 불순물 농도 비율에 따라 결정되며, 에미터 불순물 농도를 베이스보다 2~3자릿수 크게 하면 주입효율은 대략 1에 가깝다. 셋째, 수집효율도 에미터에서 베이스로 주입된 자유전자가 컬렉터까지 유효하게 도달하는 비율로 1에 가깝게 된다.
가장 중요한 것은 두 번째, 전송효율이다. 에미터에서 베이스로 주입된 자유전자가 베이스 중을 통과하여 컬렉터에 도달하는 과정에서 재결합 손실이 최소화되어야 한다. 이를 위해서는 베이스 폭을 얇게(10~1μm) 만들고, 베이스 중의 결정 결함이나 불순물 농도를 낮추어 캐리어 수명을 늘려야 한다.
일반적으로 트랜지스터에서 전류 증폭률 α는 0.99, 0.999 등...
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