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1. 트랜지스터의 구조와 동작
1.1. NPN, PNP접합
NPN과 PNP 접합은 트랜지스터의 구조와 동작을 이해하는 데 필수적이다. NPN 접합은 두 개의 N형 반도체 사이에 얇은 P형 반도체를 끼운 구조이며, PNP 접합은 그 반대의 구조를 갖는다.
NPN 접합의 경우, 에미터는 N형 자유전자를 매우 많이 가지고 있으며 베이스는 P형으로 전공의 양이 에미터보다 훨씬 적어야 한다. 또한 베이스의 두께는 매우 얇아야 한다. 에미터와 베이스 간 PN 접합이 순방향이 되도록 전압을 걸면 약간의 에미터-베이스 간 전압 Veb로 큰 전류가 흐를 것이다. 이때 순방향 전류를 운반하는 캐리어는 에미터에서 베이스로 주입되는 자유전자와 베이스에서 에미터로 주입되는 정공 양쪽이지만, 에미터의 불순물 농도를 베이스보다 훨씬 크게 하였기 때문에 에미터 전류는 주로 에미터에서 베이스로 주입되는 자유전자에 의존하고 있다.
PNP 접합의 경우, 에미터에서 베이스로 주입되는 캐리어는 정공이다. 정공이 베이스 중을 확산하여 컬렉터 가까이에 도달하면 컬렉터에 걸려있는 음전압에 끌려들어서 컬렉터 전류가 된다.
NPN 형이 PNP형보다 고주파 특성이 우수한데, 이는 베이스 중을 확산하는 소수캐리어의 속도가 정공보다 자유전자쪽이 더 빠르기 때문이다. 게르마늄의 경우 자유전자가 2배, 실리콘의 경우 3배 정도 빠르다.
1.2. 에미터 작용
NPN접합에서 에미터는 N형 자유전자를 매우 많이 가지고 있으며, 베이스는 P형으로 전공의 양이 에미터의 자유 전자량보다 훨씬 적어야 한다. 또한 베이스 두께(베이스 폭 : Wb)는 아주 얇아야 한다. 에미터와 베이스간 PN접합에 순방향 전압을 걸면 약간의 에미터-베이스간 전압 VEB로 큰 전류 IEB가 흐를 것이다. 순방향 전류를 운반하는 캐리어는 에미터에서 베이스에 주입되는 자유전자와 베이스에서 에미터로 주입되는 정공의 양쪽이지만, 에미터의 불순물 농도를 베이스의 농도보다 훨씬 크게 하였기 때문에 에미터 전류는 주로 에미터에서 베이스로 주입되는 자유전자에 의존하고 있다"라고 할 수 있다.
1.3. 컬렉터의 작용
컬렉터의 작용은 베이스 측에서 공핍층에 들어오는 자유 전자를 모으는 작용을 한다. 그림 7에서 C-B간의 PN접합에 역방향 전압 Vr을 건 상태이며 이 경우 접합 부근에서 열적으로 발생하는 소수 캐리어 때문에 약간의 역방향 전류밖에 흐르지 않을 것이다. 이것을 콜렉터 차단 전류(ICBO)라고 한다. 보통의 트랜지스터 동작에서 컬렉터와 베이스간은 역방향 바이어스로 하여 사용하기 때문에 차단전류는 아주 작아야 한다. 역방향 전압을 자꾸 높여가면 어느 지점에서 컬렉터와 베이스간 PN접합은 항복(Breakdown)을 일으켜 Ic가 급증하므로 트랜지스터로서 사용할수 있는 것은 항복 전압보다 낮은 곳에 한정 된다. 이 항복전압은 컬렉터나 베이스측의 불순물 농도중 작은쪽(비저항이 높은쪽)에 의해 결정되므로 고내압 트랜지스터는 비저항이 높은 반도체 재료를 사용한다. C-B간 전압에 의해 PN접합에 공핍층이 생기고 이공핍층은 높은 전계가 걸려 있어서 여기에 자유 전자가 들어오면 자유전자는 즉시 컬렉터축에 끌려들여져 컬렉터 전류가 된다.
1.4. 트랜지스터에서 전류가 흐르는 과정
NPN 접합 트랜지스터에서 전류가 흐르는 과정은 다음과 같다.
에미터에서 베이스로 주입된 자유전자는 베이스 내를 확산해 가지만, 베이스 폭이 좁아 자유전자의 대부분은 베이스를 통해 컬렉터 가까이에 도달한다. 여기서 컬렉터-베이스 간 접합의 공핍층 전계에 끌려들여져 컬렉터에 흘러 컬렉터 전류가 된다. 이 컬렉터 전류는 베이스 중 자유전자의 농도에 비례하고, 이 자유전자 농도는 에미터 전류에 비례한다. 따라서 컬렉터 전류는 에미터 전류에 의해 제어된다. 이때 전류 증폭률 β는 1에 가깝지만 1을 초과하는 경우는 없다.
PNP 접합 트랜지스터의 경우, 에미터에서 베이스로 주입되는 것은 정공이다. 이 정공이 베이스 중을 확산하여 컬렉터 가까이에 도달하여 컬렉터에 걸려있는 음전압에 끌려들어서 컬렉터 전류가 된다.
따라서 트랜지스터에서 전류가 흐르는 과정은 에미터에서 주입된 다수캐리어가 베이스를 거쳐 컬렉터로 흐르는 것이며, 이 과정에서 전류 증폭이 발생한다고 할 수 있다.
1.5. 전류 증폭률의 크기 결정
전류 증폭률의 크기는 주로 에미터에서 베이스로 주입되는 자유전자의 비율, 베이스에서 컬렉터로 전달되는 자유전자의 비율, 그리고...
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