접합형 트랜지스터

접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT, 바이폴라 접합 트랜지스터, 양극성 접합 트랜지스터)는 세 영역의 반도체를 NPN 또는 PNP 로 접합해 만든 트랜지스터로, 베이스에 흐르는 작은 전류로 컬렉터와 이미터 사이의 큰 전류를 조절한다.

구조

이미터(E) : 캐리어를 내보내는 영역. 불순물 농도가 가장 높다
베이스(B) : 아주 얇고 불순물 농도가 낮은 가운데 영역
컬렉터(C) : 캐리어를 모으는 영역. 면적이 가장 넓다

PN 접합이 둘(이미터-베이스, 베이스-컬렉터)이다. 기호의 화살표는 이미터에 붙고, 순방향 전류가 흐르는 쪽을 가리킨다(NPN 은 바깥쪽, PNP 는 안쪽).

동작

NPN 을 증폭에 쓸 때는 이미터-베이스 접합에 순방향, 베이스-컬렉터 접합에 역방향 바이어스를 건다. 이미터의 전자가 얇은 베이스로 넘어오면 대부분은 베이스를 지나 컬렉터로 끌려가고, 일부만 베이스의 정공과 재결합해 베이스 전류가 된다.

I_{E} = I_{B} + I_{C}, I_{C} = β I_{B}

β(h_FE, 전류 증폭률)는 보통 수십~수백이다.

이미터 접지 회로(V_CC 에서 R_B 로 베이스, R_C 로 컬렉터, 이미터 접지)의 기본 관계식

I_E = I_B + I_C = (1 + β)I_B, I_C = βI_B
I_B = (V_CC - V_BE)/R_B
V_CE = V_CC - I_CR_C (컬렉터 쪽 고리). V_BE = V_CC - I_CR_C 는 틀린 식이다. V_BE 는 순방향 접합 전압으로 약 0.7V 에서 거의 변하지 않는다

전류는 전자와 정공 두 종류의 캐리어가 함께 나른다. NPN 에서는 전자가 주 전류를, 베이스 안의 정공이 재결합과 베이스 전류를 맡는다. 그래서 양극성(bipolar)이라 한다. 한 종류의 캐리어만 쓰는 것은 MOSFET 같은 FET 다
베이스 전류로 구동하는 전류 제어 소자다. 켜 두려면 베이스 전류가 계속 흘러야 하므로 MOSFET 보다 전력을 많이 쓴다

동작 영역

영역	이미터-베이스	베이스-컬렉터	쓰임
활성	순방향	역방향	증폭
포화	순방향	순방향	스위치 켜짐
차단	역방향	역방향	스위치 꺼짐
역활성	역방향	순방향	거의 쓰지 않는다

접지 방식

방식	전류 이득	전압 이득	입력 임피던스	특징
이미터 접지	크다	크다	중간	입출력 위상이 반대. 증폭에 가장 많이 쓴다
베이스 접지	약 1	크다	낮다	고주파 특성이 좋다
컬렉터 접지(이미터 폴로어)	크다	약 1	높다	임피던스 변환(버퍼)

바이어스

증폭기로 쓰려면 신호가 없을 때의 동작점(I_C, V_CE)을 활성 영역 가운데쯤에 정해 두어야 한다. 이것을 바이어스라 한다.

방식	연결	베이스 전류·이미터 전류	특징
고정 바이어스	V_CC 와 베이스 사이에 R_B 하나	I_B = (V_CC - V_BE)/R_B	간단하지만 β 와 온도에 따라 동작점이 크게 변한다
컬렉터 귀환 바이어스	컬렉터와 베이스 사이에 R_B	I_B = (V_C - V_BE)/R_B, V_C = V_CC - R_C(I_C + I_B)	I_C 가 늘면 V_C 가 내려가 I_B 를 줄이는 음되먹임으로 안정된다
전압 분배 바이어스	R₁(V_CC 쪽)·R₂(접지 쪽)로 베이스 전압을 만들고 이미터에 R_E	V_B ≈ V_CC·R₂/(R₁+R₂), I_E ≈ (V_B - V_BE)/R_E	β 에 거의 관계없어 가장 안정적이라 가장 많이 쓴다

컬렉터 귀환 바이어스 계산 예

V_CC = 12V, R_C = 15kΩ, β = 200, V_BE = 0.6V 에서 I_C = 0.4mA 로 하려면

I_B = I_C/β = 0.4mA/200 = 2µA
R_C 에는 I_C + I_B = 0.402mA 가 흐르므로 V_C = 12 - 15kΩ × 0.402mA ≈ 5.97V
R_B = (V_C - V_BE)/I_B = (5.97 - 0.6)/2µA ≈ 2.7MΩ
V_CC 에서 바로 V_BE 를 빼 (12 - 0.6)/2µA ≈ 5.7MΩ 으로 계산하면 고정 바이어스 식을 잘못 쓴 것이다

다른 예: V_CC = 10V, R_C = 5kΩ, β = 100, V_BE = 0.7V 에서 V_CE = 7V 가 되게 할 R_B

R_C 에 걸리는 전압은 10 - 7 = 3V 이므로 R_C 전류 I_C + I_B = 0.6mA. I_E ≈ I_C 로 보면 I_C ≈ 0.6mA, I_B = 6µA
R_B = (V_CE - V_BE)/I_B = (7 - 0.7)/6µA = 1,050kΩ. 근사 없이 I_B = 0.6mA/101 로 풀어도 약 1,060kΩ 이라 가장 가까운 값은 같다

측정한 노드 전압으로 β 구하기 (PNP)

PNP 트랜지스터의 이미터가 +7V, 베이스가 +6.3V, 컬렉터 노드가 +3.3V 로 측정되었다. 베이스와 컬렉터 노드 사이에 30kΩ, 컬렉터 노드와 접지 사이에 330Ω 이 있다(컬렉터 귀환 바이어스).

V_EB = 7 - 6.3 = 0.7V 로 이미터-베이스 접합이 순방향이다. PNP 는 베이스 전류가 베이스에서 흘러나온다
베이스 전류는 30kΩ 을 지나 컬렉터 노드로 간다: I_B = (6.3 - 3.3)V / 30kΩ = 0.1mA
컬렉터 노드에서 330Ω 으로 흐르는 전류는 3.3V / 330Ω = 10mA 이고, 이것은 컬렉터 전류와 베이스 전류의 합이다: I_C + I_B = 10mA → I_C = 9.9mA
β = I_C / I_B = 9.9 / 0.1 = 99. 10mA 를 그대로 I_C 로 보면 100 이 되어 틀린다

고정 바이어스 계산 예

베이스 전원 2.7V 에 R_B = 100kΩ, 컬렉터 전원 5V 에 R_C = 1.5kΩ, β = 100, V_BE = 0.7V

I_B = (2.7 - 0.7)/100kΩ = 20µA, I_C = 100 × 20µA = 2mA
V_CE = 5 - 2mA × 1.5kΩ = 2V. 0.2V 보다 크므로 활성 영역이 맞다(포화라면 I_C = βI_B 를 쓸 수 없다)

소신호 전압 이득

교류 신호에 대해 트랜지스터는 이미터 쪽에 교류 이미터 저항 r_e(r'_e)가 있는 것처럼 동작한다. 상온에서 r_e ≈ 26mV / I_E 로, 직류 이미터 전류가 클수록 작다.

같은 관계를 전달 컨덕턴스 g_m = I_C/V_T(V_T = kT/q ≈ 26mV, 열전압) ≈ 1/r_e 로 쓰기도 한다. 이미터가 교류 접지된 이미터 접지 증폭기의 이득 크기는

구문 분석 실패 (구문 오류): {\displaystyle |A_v| = g_m R_C = �rac{I_C R_C}{V_T}}

이득은 컬렉터 저항 R과 바이어스 전류 I_C(이미터에 정전류원 I 를 달았으면 I_C ≈ I)에 비례한다
이미터 면적은 포화 전류 I_S 와 V_BE 만 바꿀 뿐, 같은 I_C 에서는 g_m 이 같아 이득에 영향이 없다
V_CC 도 활성 영역을 지키는 범위에서는 이득 식에 들어가지 않는다

회로	전압 이득 A_v	특징
이미터 접지, R_E 를 바이패스 커패시터로 단락	-(R_C∥R_L)/r_e	이득이 가장 크지만 r_e(전류·온도)에 따라 흔들린다
이미터 접지, R_E 바이패스 없음	-(R_C∥R_L)/(r_e + R_E)	R_E 가 음되먹임을 걸어 이득은 줄지만 안정된다
베이스 접지(입력을 이미터에, 베이스는 커패시터로 교류 접지)	+(R_C∥R_L)/r_e	위상이 반전되지 않는다. 입력 임피던스가 r_e∥R_E 로 낮다
컬렉터 접지(이미터 폴로어)	약 1	임피던스 변환

이미터 접지 증폭기의 이득을 키우는 방법

전압 분배 바이어스이고 R_E 에 바이패스 커패시터가 없는 이미터 접지 증폭기에서

R_C 를 크게 하면 분자가 커져 이득이 커진다
R_E 를 크게 하면 분모가 커지고 I_E 도 줄어 r_e 가 커지므로 이득이 작아진다
R₁(V_CC 쪽)을 작게 하거나 R₂(접지 쪽)를 크게 하면 베이스 전압이 올라 I_E 가 늘고 r_e 가 작아져 이득이 커진다(포화 영역에 들어가지 않는 범위에서)
R_E 에 바이패스 커패시터를 달면 교류에서 R_E 가 사라져 이득이 크게 늘어난다

베이스 접지 증폭기 계산 예

R_C = R_L = 10kΩ, r_e = 20Ω 이고 베이스가 커패시터로 교류 접지된 회로에 입력을 이미터로 넣으면

A_v = (R_C∥R_L)/r_e = 5kΩ/20Ω = 250
입력이 이미터라 R_E 는 입력 단자와 병렬로 붙을 뿐 이득 식에 들어가지 않는다. β 와 바이어스 저항은 r_e 를 정할 때만 쓰인다

같이 보기