* 참고 교재
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* 알아야 할 개념
전자부품의 재료의 종류
- 절연체(Insulator): 플라스틱, 나무, 유리 등과 같이 정상적인 조건에서 전류가 흐르지 못하는 물질
- 도체(Conductor): 대부분의 금속처럼 전류가 잘 흐르는 물질
- 반도체(Semiconductor): 도체와 절연체의 중간적인 도전성을 갖는 물질
자유전자
외부에서 힘을 받아 궤도를 벗어난 전자를 자유전자라고 한다.
모든 물질은 원자(Atom)로 구성되며, 원자는 그 중심에 양전하를 띠는 양성자와 음전하를 띠는 전자로 구성된다.
전자가 빠져나가 빈 상태를 정공(hole)이라고 한다.
진성 반도체(Intrinsic Semiconductor)
진성 반도체는 불순물이 첨가되지 않는 순수 반도체이다.
다른 형태의 원자가 존재하지 않는 단결정물질로, 고유반도체라고도 한다.
불순물 반도체(Extrinsic Semiconductor)
불순물 반도체는 도핑된 반도체이다.
도핑(Doping)이란 진성 반도체에 불순물을 첨가하여 전자 또는 정공의 수를 증가시키는 과정이다.
따라서 도핑을 통해 자유전자와 정공의 양을 조절할 수 있다.
불순물 반도체는 도핑 물질에 따라 N형 반도체와 P형 반도체로 구분된다.
- N형 반도체: 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb)과 같은 불순물을 첨가하여 전자 농도를 증가시킨다.
- P형 반도체: 붕소(B), 인듐(In), 갈륨(Ga)과 같은 불순물을 첨가하여 정공 농도를 증가시킨다.
PN 접합과 Diode(다이오드)
P형 반도체와 N형 반도체가 결합된 것을 PN 접합이라고 한다.
PN 접합 반도체를 이용한 다이오드의 심볼은 위와 같다.
순방향 전압에만 전류가 흐르므로 전류방향은 화살표 방향과 같다.
전류가 들어가는 단자를 Anode, 나오는 단자를 Cathode라고 한다.
P형 반도체에 양전압을, N형 반도체에 음전압을 인가(순방향 전압 인가)하면 P형 반도체 안의 정공들이 N형 반도체 쪽으로 이동하고, N형 반도체 안의 자유전자들이 P형 반도체 쪽으로 이동한다.
P형 단자에 음전압을, N형 단자에 양전압을 인가(역방향 전압 인가)하면 P형 반도체 안의 정공들이 P형 단자의 음의 전극으로, N형 반도체 안의 자유전자들이 N형 단자의 양의 전극으로 이동한다.
따라서 순방향 전압을 인가했을 때보다 공핍층이 확대되며, PN 집합 내부를 통해 이동하는 전류 값은 0이다.
이와 같이 PN 접합 반도체 양단에 가해지는 전압의 방향에 따라 전류를 흐르게 하거나 거의 전류가 흐르지 않게 하는 동작을 '정류작용'이라고 한다.
즉, 다이오드는 정류 작용의 특성을 나타내는 부품이다.
* BJT(Bipolar Junction Trasister)
트랜지스터는 N형 반도체와 P형 반도체를 PNP 또는 NPN 형태로 이극 접합한 구조로 전류의 흐름 등을 조절할 수 있도록 하는 회로 구성이다.
트랜지스터는 양극성 접합형 트랜지스터(BJT: Bipolar Junction Trasister)와 전계 효과형 트랜지스터(FET: Field Effect Transister)로 구분되며, 이들은 동작특성과 내부구조가 다르다.
트랜지스터라고 하면 일반적으로 BJT를 의미한다.
NPN BJT
NPN 바이폴라 트랜지스터는 N형 반도체와 P형 반도체를 조합한 구조를 갖으며,
전류의 흐름을 주도하는 캐리어가 전자이다.
각 N, P, N 반도체에 연결된 금속단자를 Emitter(이미터), 베이스(Base), 컬렉터(Collector)라고 한다.
NPN 바이폴라 트랜지스터는 불순물이 도핑(Doping) 된 결과이다.
- N형 컬렉터 영역: 이미터 영역의 면적보다 크며, 이미터보다 상대적으로 적게 전자들이 도핑되었다.(저밀도)
- P형 베이스 영역: 베이스의 폭은 매우 얇고 정공 밀도가 작도록 도핑되었다.
- N형 이미터 영역: 전자 밀도는 베이스에 있는 정공 밀도보다 크도록 도핑되었다.(고밀도)
이미터-베이스 간의 PN접합으로 구성된 다이오드와 베이스-컬렉터 간의 PN 접합으로 구성된 다이오드가 연결되어 있다.
이미터 단자보다 베이스 단자의 전압이 높은 순바이어스 상태일 때 이미터와 베이스 사이에 전류가 흐르며,
이를 기반으로 이미터와 컬렉터 사이에도 전류가 흐른다.
BJT 기본 동작
이미터-베이스 간 다이오드 동작 상태가 전체 트랜지스터의 동작을 결정한다.
이미터-베이스 간 전압이 임계전압 이상 인가되면 베이스 전류가 흐르기 시작하고, 이 흐름을 계기로 컬렉터 전류도 흐른다. 이후 베이스 전류와 컬렉터 전류가 이미터 단자로 모여서 이미터 전류가 된다.
트랜지스터는 베이스 전류가 약간만 흘러도 컬렉터 측 회로에서 수십 배 이상으로 큰 전류가 흐르게 하는 전류 증폭 동작을 한다.
즉, 컬렉터 전류는 베이스 전류에 의해 제어된다.
BJT 동작영역
트랜지스터는 대표적으로 Amplifier(증폭기)와 Switch(스위치) 역할을 한다.
이를 위해서는 적절한 직류전압이 인가되고 진류전류가 흘러야 한다.
베이스 전류에 의해 컬렉터 전류가 제어되고, 컬렉터-이미터 간 전압이 변화되어 트랜지스터의 동작영역이 구분된다.
성결대학교 정보통신공학과 전자회로설계 강의(2023)
윤기호 지음, 「기초전자회로 설계 및 실험」
본 게시물은 위 강의 및 교재를 기반으로 정리한 글입니다.
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