BJT 1

1. 구조
2개의 PN접합으로 구성됨(NPN or PNP)

BJT

각 도핑영역을 이미터, 베이스, 컬렉터라고 부른다.

1.1 컬렉터 VS 이미터
: 도핑농도가 다르다 
   이미터(N+, P+)  >>  컬렉터(N,P)

 2. 기호

2.1 화살표의 방향으로 NPN, PNP를 구분한다.
NPN : 베이스 -> 이미터 (B to E)
PNP : 이미터 -> 베이스 ( E to B)

김성원 교수님의 암기Tip : npn은 p가 길어서 밖으로 나온다.
                                        pnp는 가운데가 들어갔다.
2.2 전압읽기
 Vbe : Base(+) to collector(-), 앞의것이 기준이다.
2.3 전류방향 
    1. npn, pnp 전부다 반대.
    2. iE = iC+iB

3. 4가지 동작모드(차단,활성,포화,역활성)

단 2가지 역할을 한다. S/W 와 Amplifier. 역활성은 사용하지 않는다.

언제 Open, 언제 short, 언제 amp인지 
bias 거는 방법을 알아두자.
SW모드에서는, 둘다 reverse or 둘다 forward중 하나이다.
     즉, reverse에서는 꺼지고, forward에서는 short이다.
     꺼진건 차단, 켜진건 포화라고 한다.(diode랑 비슷하다)

4. 활성모드(active)

4.1 기본회로

VBE 는 forward, VBC는 reverse로, 활성모드

4.2 내부동작

4.2.1.
VBE는 forward(P->N)로 전류가 잘흐름(전류의 관점에서 hole이 B->E로)
                                                             (전자의 관점은 반대방향)

4.2.2. base의 면적 < emitter의 면적이다.
    즉, carrier는 emitter가 더 많다.
    즉, carrier가 남는다.
    -> 남는 carrier(전자)는 collector로 향하게 된다.
     즉, collector에도 전자의 흐름이 발생한다.
     즉, 반대방향으로 전류가 발생한다. 이때의 collector 전류는

collector 전류, [비선형diode모델]

이다. 전압이 Vd -> VBE로만 바뀌었다.
(이 식에 대한 설명이 부족해서, 그냥 이렇게 알려져있다고 외우자)

4.2.3 이 식의 insight
 :  VBE가 iC를 제어한다.
 collector 전류면, VBC가 되야하는데,
 이상하게 VBE의 전압이. 전류를 발생시키고 있다!
=> 전압제어 전류원의 등장(Voltage Controlled Current Source)
주의 : 전류원으로 동작할려면 vBE가 일정해야된다
(예전에는, 이 사실을 몰랐어서, 기능이 납득이 안갔다.... 잘알아두자)
 

고찰(주관적인 생각입니다)
=> BC의 PN접합은 reverse로서 안흐르는것이 맞다 (확인해봐야함)
 => BC사이는 reverse bias가 걸려서, 안흐르니까,
       오로지 VBE가 iC를 제어한다고 볼수밖에 없다.     
 식을 보면, BE pn접합사이의 전류값인데 왜 IC인가?
역방향 포화전류 + 직렬연결이라서, 내부 BE의 전류가 IC와 같아지는건가?

고찰 : BCJunction의 reverse bias와 그 전류 전압[확실]

1. 도핑농도 차이 : E(n+)>B(p)>C(n)
2.  BEjunction에 forward bias가 걸리면서, 전자와 정공이 서로 결합한다. 즉, 전류가 흐르기 시작한다.
3. Emitter는 n+로 농도가 Base보다 커서 정공과 결합하고도 전자가 남는다.
4. 남는 전자는 Collector방향으로 향하게 된다. 
5. collector방향에 있던 전자들이, Base-Collector에 reverse bias가 걸리자, C에 걸린 (+)전압에 이끌려 collector에 도달한다.
6. 이렇게 전류가 흐른다.
즉, 도핑농도 -> 남는전자 -> C의 (+)전압이 끌고감 -> 전류흐름
이런 메커니즘으로 CE사이에 전류가 흐르는 것이다.



1. VBE -> IB -> IC의 순서로 생성되는데,
이게 마치 IB->IC가 생성되는 것 같고
2. IB를 입력했더니 IC가 흐르는 모양새가 된다.
3. 그리고 IB는 매우 작은양인데, IC는 큰 값이 될 수 있다.
결론 : IB입력을 통해 큰 IC가 출력되는 전류 증폭기가 된다. 

 




따라서 활성모드에서는 아래의 등가회로,

active모드의 등가회로

로 나타낼 수 있게 되었다.
즉, 이 bias에서는(active 모드)에서는 위의 등가회로로 표현이 가능하다.

4.2.4 vCE는 놀고있는가?[수정할것임]
 위의 개인적 고찰에서, vCE로 굉장히 머리가 아팠다.
 vCE와 ic의 관계를 그래프(직접 측정을 통해)로 알아보자

-> vBE값이 결정되면, iC는 고정이 된다. 
  결론 : vCE는 reverse bias만 걸면 자기 임무를 다한것이다.
   -> 파란색 부분을 보면, vCE가 줄어드니 ic가 줄어드는 것을 볼 수 있다.
  즉, vB > vC 가 되어서 둘다 forward bias가 된다.
  즉, 포화영역이 된다.(short 스위치, 자기가 만들어 내는 전류는 거의없다)
4.2.5
 위의 포화영역구간에서 VCE가 더 떨어진다면. 차단영역이 된다.
ic = 0 
=> VBE는 reverse bias로, Emitter로 부터 흘러온 전자를 끌어당기는 역할이다. (+)극판.



4.3 활성(active)모드에서의 전류관계
1.
 IB와 IC의 전류증폭(이득) 관계를 β라 명명한다.
 (DC의 경우만 해당된다. 지금까지 bias만 설명하고 있는 것을 잊지말자)

참고.
VBE ∝ IC 이고
VBE = IBE × R 으로 [R이 어떤값인지는 모름]
VBE ∝ IBE 이므로
 IBE ∝ IC 의 선형관계가 성립된다.

2. [정의]
  β = IC/IB  => IE = IC + IB = (I+B)IB
 
3. 또, IC와 IE의 전류증폭(이득) 관계를 α라 명명한다.
(공통 베이스 전류이득이라고도 한다. base가 묶여있을때 C와E의 비)

4. [정의]

α와 β 를 연결해보면, 아래의 식을 얻을 수 있다.

α가 1에 가까워질수록 β는 엄청 커진다.
 
순방향 bias에서 β는 변한다. 아래는 예제에서 가져온 표인데,
포화영역으로 동작하기만 하면, IC는 고정값이된다.
IB,IE는 β에 따라서 범위를 갖고, β가 충분히 크면 IE = IC 로 근사할 수 있다
는 점을 알아두자.

5. 차단영역(Cut-off)    (diode동작전압은 cut-in이다..)
  전부 역방향일때, => 전류의 흐름이 없다.(open 스위치)
 그래서 Vout = VCC가 된다.

6. 포화영역(Saturation)
모두 foward일 때 => short 스위치
정공이 양방향으로 움직이고 그에따라 전자도 반대로 움직인다. 
활발한 carrier의 움직임이 active보다 작아서 β가 매우 작아진다고 하는데.

그러면, emitter에서 남은 캐리어의 움직임이,
foward biasing해서 생기는 carrier의 움직임보다.
훨신 큰값을 가진다는건가?
=> base쪽으로 전류가 흘러서 그렇다는데?

포화모드 내부동작

 

포화모드 biasing

출처 : KOCW. 전자회로. 영남대학교. 김성원
http://contents.kocw.or.kr/contents4/html/2013/Yeungnam/KimSungwon/5-1/default.htm
 
http://www.amkor.co.kr/archives/564
VBE를 걸었는데 C(collector)까지 전자가 이동하는 이유.(위의고찰)

KOCW. 전자회로. 숭실대학교. 문용(VCE내용 확인)
http://www.kocw.net/home/search/kemView.do?kemId=1176364