BJT

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1. 개요

Bipolar Junction Transistor

<nopad>

파일:external/upload.wikimedia.org/200px-NPN_BJT_%28Planar%29_Cross-section.svg.png

n-p-n형 BJT(Bipolar Junction Transistor)

P형 반도체와 N형 반도체를 N-P-N 또는 P-N-P 순서로 접합한 구조의 트랜지스터. 이름의 바이폴라(bipolar)는 전자와 정공 두 종류의 캐리어가 모두 전류를 운반한다는 뜻이다.

1947년 벨 연구소의 월터 하우저 브래튼과 존 바딘, 윌리엄 쇼클리가 저마늄을 이용해 최초로 제작하였다. (이에 대한 공로로 세 사람은 1956년 노벨물리학상을 수상하였다.)

고등학교 물리학Ⅱ에 트랜지스터라고 나오는 것이 바로 이 BJT이다. 조립형 전자 키트 등을 사면 쉽게 볼 수 있다(새까만 삼발이 부품).

2. 특징

실리콘 웨이퍼에 수차례 도핑을 거치면 완성되는 구조라, 옥사이드를 길러야 하는 MOSFET보다 제조하기 쉽다는 장점이 있다. MOSFET의 경우 Si과 gate insulator 경계면과 인접한 부근에 전류가 주로 흐르기 때문에, 웨이퍼 표면의 상태가 깨끗해야 잘 작동한다. 이러한 점은 잘 작동하는 MOSFET을 만들기 어려운 점으로 작용했으며, MOSFET보다 BJT가 먼저 상용화된 이유 중 하나이다. 그러나 계속되는 소자의 Scaling 으로 인해 BJT는 MOSFET으로 대체되게 되었는데, 그 이유는 BJT의 전력소모가 MOSFET에 비해 매우 크기 때문이다. 소자 한 개당 전력소모가 크다는 것은 열발산 또한 많다는 뜻이 된다. 그리고 전류잡음과 베이스 누설전류가 FET 기반 소자보다 높아서 고임피던스 입력에 불리하다. 하지만 전압잡음이 낮아 저임피던스 정밀 아날로그에서는 여전히 BJT 기반 소자가 주류이다.

3. 동작 원리

동작 원리는 다이오드와 동일한데, 전하를 공급하는 이미터(Emitter)가 더 붙어 있는 것이다.

우선 p-n-p형 접합형 트랜지스터를 예로 들어보자. 그리고 이때 p-n-p의 각 역할을 emitter-base-collector라 하자. 이 경우 왼쪽의 p-n 접합에 정방향 전압(p쪽에 +전압, n쪽에 -전압)를 주면 전류가 흐르지만, 오른쪽 n-p 접합인 베이스-컬렉터(Base-Collector)에 역방향 전압도 걸려진다. 이때 emitter-base 측에 충분한 전압을 걸면 (Emitter-Base 접합은 순방향) 이미터의 hole(양공)들이 베이스로 주입되고 베이스의 전자가 이미터로 (상대적으로 적은 양이) 주입되며, 베이스 내부에서는 Diffusing(확산) 현상으로 컬렉터 쪽으로 양공이 이동해 컬렉터에 양공이 수집된다. 이때 이미터에서 베이스로 주입되는 양공의 양이 베이스에서 이미터로 주입되는 전자의 양보다 훨씬 더 많은 것이 바람직 하며, 고농도로 도핑된 이미터와 저농도로 도핑된 베이스를 사용하여야 한다. 혹은 베이스를 물리적으로 얇고 적게 하거나.

베이스 내부에서 Diffusing(확산)하는 양공들 중 극히 일부분이 베이스의 전자와 결합하는데 이는 컬렉터에 수집되는 양공들에 비해서 아주 작은 비율이다. 하지만 이로 인해, 과잉소수 캐리어(이 경우에는 양공) 농도 분포가 직선이 아닌 곡선형태가 된다. 결론적으로 양공이 Emitter에서 Collector 방향으로 이동되므로, 전류의 방향은 Emitter에서 Collector 방향이다. 앞서 설명한 내용은 베이스-이미터가 순방향, 베이스-컬렉터가 역방향인 경우이다.

만약 베이스-이미터 접합을 역방향으로 연결해 준다면, 이미터에서 베이스로 전자가 충분히 주입되지 못하므로, 전류의 흐름이 차단된다.(Cut-off Mode)

만약 베이스-이미터 접합과 베이스-컬렉터 접합이 모두 순방향으로 연결된다면, 이미터에서 베이스로 양공이 수집되고 Diffusing 현상이 발생하는 동안, 컬렉터에서 베이스로도 양공이 수집된다. 이때 베이스에 전자농도가 높아지기 때문에 포화상태라고 한다.(Saturation Mode) 포화 상태에서는 전류의 흐름이 서로 상쇄되므로, 컬렉터-이미터 전압은 0.1~0.2V 정도로 유지된다.

3.1. 수도꼭지 비유식 동작 원리

이미터(Emitter, 방출기)는 수도관이고 콜렉터(Collector, 수집기)라고 하는 게 수도꼭지고 베이스가 수도밸브라 보면 된다. 수도밸브가 돌아가는 정도에 따라 변하는 수압을 전압으로 이해하면 된다. 근데 저 밸브가 좀 물이 새는 밸브라서 이미터에서 콜렉터로 빠질 때 물이 조금, 아주 조금 줄어든다고 지금 위에서 세 번째 문단에서 설명하고 있는 것이다. 이것이 스위칭 기능.

증폭 작용은 사실 힘이나 에너지를 키우는 개념이 아니라 작은 힘으로 큰 힘을 제어하는 것이다. 이미터-콜렉터 사이를 흐르는 커다란 전류를 베이스라고 하는 작은 밸브로 조절하는 것이다. 10볼트의 전원을 가지는 증폭회로에서 트랜지스터를 통과했다고 20볼트가 되는 건 아니다. 오히려 전원의 전압을 낮추는 방법으로 증폭을 한다. 베이스 전압이 0~1볼트 사이를 움직일 때 이미터-컬렉터를 통과하는 전압은 0~10볼트 사이를 왔다갔다 하는 식이다. 물론 베이스가 물이 좀 새는 밸브라서 정확히 똑같게 따라 하지는 못하는데 그 차이를 줄인 게 고급 트랜지스터라고 이해하면 된다.

마지막으로 수도꼭지와 트랜지스터의 다른 점이 수도꼭지는 사람 힘으로 밸브를 돌리지만 트랜지스터는 전류로 돌린다. 전류를 흐르게 하기 위해서는 전압이 필요한데, 전압이라고 하는 건 전위차 즉 상대적인 개념이다. 그래서 트랜지스터 회로는 이미터 단자를 공통 음극(NPN기준)으로 사용한다. 이미터의 전압을 0볼트로 간주하겠다는 의미. 보통 이미터는 접지까지 공유하므로 실제로 0볼트일 때가 많다. 그래서 전압 차이가 아주 크게 나는 회로에서는 트랜지스터를 사용할 때 조심해야 한다. 이미터-콜렉터 사이에서 어떤 이유에서든 엄청난 전류가 흘러버리면 이미터쪽 전압이 확 변할 수 있는데 이미터-베이스간에도 회로가 연결되어 있으므로 이미터-베이스 사이의 전위차가 그 회로가 견딜 수 있는 한도를 넘어 확 튀는 경우가 있다. 보통 이미터-베이스 사이에 있는 회로는 민감한 저전력 회로들이라 이런 식으로 확 튀는 전류가 들어가 버리면 그냥 타버린다. 그래서 큰 전류를 제어하는 곳에서는 다른 소자나 방식을 사용한다. 애초에 순수한 BJT 방식은 효율이 별로이기도 하다.

4. 단자 판별 방법

단면이 반원형인 TO-92 패키지이면 납작한 쪽을 바닥에 대고 둥근 쪽이 위를 향할 때 왼쪽부터 컬렉터, 베이스, 이미터이도록 생산되는 것이 일반적이다. 그러나 멀티미터를 가지고 확실하게 시험 및 증명하는 방법이 있다.

멀티미터 레버를 저항 위치로 돌리고 노란색 버튼을 눌러 다이오드 측정 모드를 켠다.
양, 음 프로브를 각각 댔을 때와 극을 서로 바꿔 댔을 때 두 번 다 OL(Open Loop, 단선)이 표시되는 쌍을 찾는다.
= 둘 중에는 베이스가 없다. 즉 하나는 컬렉터고 하나는 이미터다.

이렇게 베이스를 찾았으면 트랜지스터가 pnp형인지 npn형인지에 따라 다음 과정이 나뉜다.

pnp: 음 프로브를 베이스에 대고 양 프로브를 나머지 두 단자에 차례로 대 본다. 표시되는 저항치가 낮은 쪽이 양 프로브를 컬렉터에 연결한 것이다.
npn: 양 프로브를 베이스에 대고 음 프로브를 나머지 두 단자에 차례로 대 본다. 표시되는 저항치가 낮은 쪽이 음 프로브를 컬렉터에 연결한 것이다.

컬렉터를 찾았으므로 남은 단자가 이미터이다. 물론 위와 반대로 저항치가 높은 쪽을 이미터로 먼저 판정하고 남는 단자를 컬렉터로 판정해도 결론은 똑같다.

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관련 기관	국가과학기술연구회(과학기술분야 정부출연연구기관)
자격증
전기 계열	기능사 전기기능사 · 철도전기신호기능사 기사·산업기사 전기기사 · 전기산업기사 · 전기공사기사 · 전기공사산업기사 · 전기철도기사 · 전기철도산업기사 · 철도신호기사 · 철도신호산업기사 기능장 및 기술사 전기기능장 · 건축전기설비기술사 · 발송배전기술사 · 전기응용기술사 · 전기안전기술사 · 철도신호기술사 · 전기철도기술사
전자 계열	기능사 전자기능사 · 임베디드기능사 · 전자캐드기능사 기사·산업기사 전자기사 · 전자산업기사 기능장 및 기술사 전자기능장 · 전자응용기술사
기타	기능사 신재생에너지발전설비기능사(태양광) 기사 소방설비기사 · 신재생에너지발전설비기사(태양광) · 로봇소프트웨어개발기사 · 로봇하드웨어개발기사 · 로봇기구개발기사	}}}}}}}}}

메모리 반도체 (DRAM · SRAM · HBM · SSD)	시스템 반도체 (CPU · GPU · AP · AI 반도체 · 이미지 센서 · 전력 반도체)
반도체 8대 공정 (Process Integration)
Front-End (웨이퍼/제조 · 산화 공정 · 포토리소그래피 · 식각 공정 · 증착 공정 · 금속 배선 공정) (+ 세정 공정 · 이온 주입)	Back-End (EDS · 패키징(=백엔드 자체))
구조
<rowcolor=#000>반도체 제품	반도체 소자
CPU · GPU(그래픽 카드) · ROM · RAM · SSD · HDD · MPU · eMMC · USB · UFS · 와이파이	트랜지스터(BJT · FET · JFET · MOSFET · T-FT, FinFET, GAA) · 전력 반도체 소자(사이리스터 · GTO · 레지스터(IGBT) ) · 다이오드 · CMOS · 저항기 · 연산 증폭기 · 펠티어 소자 · 벅컨버터
용어
웨이퍼 · 팹 · SoC · Technology Node · PPA · PCB · FPGA · Photoresist · Alignment · LOCOS · STI · Fume · 산화막 · 질화물 · Annealing
<rowcolor=#000>현상	법칙
정전기 방전	무어의 법칙 · 4 GHz의 벽 · 폴락의 법칙
기업 분류 기업 목록은 각 문서에 서술
반도체 제조사(종합반도체사 · 팹리스 · 파운드리 · 세미캡)

BJT

1. 개요

2. 특징

3. 동작 원리

3.1. 수도꼭지 비유식 동작 원리

4. 단자 판별 방법

분류