작은 베이스 전류로 트랜지스터의 큰 컬렉터 전류가 흐르는 원리는 무엇인가요?

Question

BJT 트랜지스터에서 작은 베이스 전류로 큰 컬렉터 전류가 흐르는 원리가 궁금합니다. 에미터 접합의 전하 주입, 얇은 베이스 영역의 역할, 전류 이득 변동 요인, 포화 영역과 활성 영역의 구분, 온도에 따른 이득 변화도 알려주세요. MOSFET과 구동 방식이 어떻게 다른지도 궁금합니다. 증폭 회로에서 바이어스를 잡는 방법과 열폭주를 막는 방법도 궁금합니다

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

NPN에서 베이스-에미터 접합에 순방향 전압을 걸면 도핑이 진한 에미터가 p형 베이스로 전자를 대량 주입해요. 베이스는 1μm 안팎으로 얇고 도핑이 옅어서 전자 대부분이 정공과 재결합하기 전에 확산으로 베이스를 건너가고, 역바이어스된 컬렉터 접합의 전기장에 끌려 컬렉터로 들어가요. 베이스 전류는 에미터로 넘어가는 정공과 재결합 몫만 채우면 돼서 컬렉터 전류의 100분의 1 수준이면 충분해요.

이 비율 β는 같은 품번에서도 2~3배 편차가 있고, 아주 작거나 큰 전류에서 떨어지며, 온도가 오르면 커지고 VBE는 1°C당 약 2mV 낮아져요. BE 순방향·BC 역방향이면 활성 영역이고, BC까지 순방향이 되면 VCE가 0.2V 안팎으로 붙는 포화 영역이라 IC가 βIB를 따라가지 못해요. MOSFET은 절연 게이트에 전압만 걸어 채널을 여는 전압 구동이라, 게이트 정전용량을 충방전할 때 말고는 전류가 거의 흐르지 않아요.

바이어스는 분압 저항으로 베이스 전압을 잡고 에미터 저항 RE를 넣는 방식이 기본이에요. 분압 전류를 베이스 전류의 10배 이상 흘리면 β 편차의 영향이 줄고, IC가 늘면 RE 전압이 올라 VBE를 낮추는 음귀환이 걸려요. 열이 IC를 키우고 IC가 다시 열을 내는 열폭주는 RE와 방열판으로 막고, 푸시풀 출력단은 트랜지스터에 붙인 다이오드나 VBE 멀티플라이어로 온도에 맞춰 바이어스를 낮춰요 :)

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

BJT는 순방향 바이어스된 에미터-베이스 접합에서 캐리어를 얇고 가볍게 도핑된 베이스 영역으로 주입할 때 대부분 재결합 없이 역방향 바이어스된 컬렉터의 강한 전계로 쓸려 들어가며 작은 베이스 전류로 큰 컬렉터 전류를 제어하는 전류 구동 소자입니다 에미터-베이스는 순방향 컬렉터-베이스는 역방향일 때 증폭용 활성 영역으로 동작하며 둘 다 순방향이면 스위치 상태인 포화 영역이 되고 전류 이득은 온도와 컬렉터 전류의 크기에 따라 변동합니다. 전압으로 채널을 제어해 입력 전류가 흐르지 않는 MOSFET과 달리 전류로 동작하므로 증폭 회로에서는 전압 분배 바이어스 등으로 안정적인 동작점을 설정하는 것이 필수적입니다 아울러 온도 상승에 따라 컬렉터 전류가 급증해 소자가 파괴되는 열폭주를 막기 위해 에미터 저항을 통한 음의 피드백 회로를 반드시 함께 설계해야 합니다

Answer 3

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

BJT의 전류 증폭은 베이스-에미터 접합에 순방향 바이어스를 걸어 이미터에서 전하를 베이스로 주입하고, 베이스가 매우 얇아 대부분의 전하가 컬렉터로 넘어가면서 작은 베이스 전류가 큰 컬렉터 전류를 제어하는 원리랍니다.