1. Introduction to BJT / Device Physics

이번 포스팅에서는 BJT의 뜻, 구조, 그리고 동작 방식등을 간단히 말씀드리고자 합니다.

BJT는 NPN 구조와 PNP 구조가 있습니다. 

Diode를 공부해보신 분은 아시겠지만, Diode는 PN Junction(접합)으로 구성되어있지요. 

BJT는 그런 Diode 2개를 붙여서 각각을 커플링 시킨 소자로 보시면 됩니다.

BJT는 Bipolar Juntion Transistor의 약자이며, 앞서 말씀드린 것처럼 Diode에서 응용된, 발전된 모습을 가지고 있기 때문에 Diode를 먼저 공부하고 오셔야 BJT를 제대로 공부할 수 있습니다.

BJT의 B는 Bipolar입니다.

"Bi-polar"라는 말은 양극성(두 개의 극성)을 가진다는 것입니다. 그것은 "Electron"과 "Hole" 모두 BJT의 전류를 만드는데 기여한다는 뜻입니다. MOSFET이 Electron이나 Hole 둘 중에 한 종류의 Carrier에 의해 소자의 전류가 만들어지는 "Uni-Polar" 소자인 것과는 대조적인 모습을 보입니다. 또한, FET(Field Effect Transistor)가 Gate에 전압을 인가하여 전류를 뽑아내는 Voltage driving의 구동방식을 가진다면, BJT는 전류를 흘려 전류를 뽑아내는 Current driving의 구동방식을 가집니다. Current Driving을 하는 BJT의 특성 상 가장 중요한 것은 Current Gain이며, 이 Current Gain은 β로 표현됩니다. 여담으로 전자공학을 조금 공부 해보신 분이라면 아시겠지만, 이 β는 전자회로의 BJT 증폭 회로를 구성할 때 자주 언급되던 Parameter입니다.

<BJT의 구조, Carrier의 흐름, Current의 방향>

위의 그림은 BJT의 간단한 구조, Carrier의 흐름, Current를 나타낸 그림입니다. 

주황색은 Carrier의 흐름을 나타내며, 하늘색은 Current가 어느 방향으로 흐르는지를 나타내고 있습니다.

먼저 그림 상단에 적힌 알파벳부터 설명하겠습니다. 그림 상단에 적힌 E,B,C는 각각 Emitter, Base, Collector의 가장 앞글자를 딴 것입니다. 이 EBC라는 이름은 사람들이 그냥 지은 이름이 아니라 해당하는 부분이 소자가 동작할 때 어떤 역할을 하는지 적절하게 보여주는 이름입니다. 먼저 각 부분 이름의 의미를 알아보겠습니다.

Emitter라는 것은 Carrier를 공급하는 역할을 하는 부분입니다. Base라는 부분은 Base Camp처럼 이동중인 Carrier가 잠깐 머무르는 곳입니다. Collector라는 것은 말 그대로 Emitter에서 공급된 Carrier를 모으는 역할을 하는 부분입니다. 

전자회로를 공부하신 분이면 다 아시겠지만, BJT가 좋은 특성을 가지고 동작하기 위해서는 'Active Mode'가 되어야 하며 그렇게 동작을 하기 위해서는 Base와 Emitter 사이에는 Forward Bias 전압을 인가하고, Base와 Collector 사이에는 Reverse Bias 전압을 인가해야합니다. 하기에는 Active Mode 동작을 위하여 각각의 Node(Emitter, Base, Collector)에 전압을 인가하였을 때 Carrier들이 어떻게 움직이는지에 대해 간략히 설명드리겠습니다.

먼저 Base와 Emitter 사이에 Forward Bias 전압을 인가합니다. 그러면 Emitter에 있는 수많은 Electron들이 Base로 Injection 됩니다. 이 부분이 이해가 가지 않으시는 분은 Base와 Emitter를 하나의 Diode로 보고 Forware Bias 전압을 인가하였을 때 Energy Band Diagram을 한번 그려보시면 쉽게 이해할 수 있습니다. 다시 돌아와 설명을 드리면, VBE(Base와 Emitter 사이에 걸린 Voltage)의 역할은 Emitter에 있는 수많은 전자들을 Base로 보내는 것이고 Forward Bias가 걸리게 되면 자연스럽게 그렇게 Electron이 흘러가게 됩니다.  

이 상황에서 추가적인 외력이 작용하지 않는다면 Base로 Injection된 Electron은 Base 전극을 타고 Base로 흘러 나가게 됩니다. 즉, Emitter와 Base를 하나의 Diode로 보았을 때, 단순히 Emitter에서 Base로 Electron이 흘러 전류가 Base에서 Emitter쪽으로 흘러나간 것처럼 보이게 됩니다. 우리의 목적은 그것이 아니라 Collector로 전류를 전달하여 전류이득을 얻는 것이 목적이기 때문에 추가적인 외력을 가해주어야 합니다. 

다음에 진행해야 할 것은 Base와 Collector 사이에 Reverse Bias 전압을 인가해주는 것입니다. 그렇게 되면 Base와 Collector 사이에 Revers Bias에 의한 Depletion 영역이 더 넓어지게 되며, Depletion 영역의 강력한 Electric Field는 Base에서 방황하고 있는 Electron들을 강력하게 Collector쪽으로 당겨줄 수 있게 됩니다. 그렇게 해서 Emitter에서 Injection된 Electron이 Base에 거치고, 그 Electron이 Base에서 방황하다가 Base와 Collector 사이의 Depletion Layer에 형성된 강력한 Electric Field에 의해 Collector쪽으로 도착하게 되면 Collector에서 Emitter 방향으로 전류가 흘렀다고 할 수 있는 것입니다.

이 설명을 읽으시고 위의 그림을 다시 한번 보시면 제가 무슨 말씀을 드린지 정확하게 이해 하실 수 있을 겁니다.

주황색을 보면 Electron이 Emitter에서 들어와 Base에서 한번 쉬고 Collector로 빨려들어갑니다. 그렇기 때문에 하늘색으로 표시된 전류의 방향은 Collector에서 Emitter쪽으로 흐르게 됩니다.

이번 포스팅은 간단한 소자의 동작, 그리고 BJT의 의미에 대해 설명 드렸습니다.

요약

1. NPN BJT에서 전자는 Emitter에서 Collector로 흐른다. 전류의 방향은 Collector에서 Emitter쪽이다.

2. BJT는 두 개의 Diode가 Coupling된 소자다.

3. BJT는 Active Mode에서 동작해야 증폭소자로 활용을 할 수 있다. 조건은 Emitter와 Base 사이에는 Forward Bias, Base와 Collector 사이에는 Reverse Bias가 걸려야 합니다.