BJT: 얇은 베이스가 큰 컬렉터 전류를 만드는 원리
바이폴라 접합 트랜지스터, BJT는 이미터·베이스·컬렉터의 세 단자를 가진 반도체 소자다. NPN과 PNP 구조가 있으며 전자와 정공이 모두 동작에 관여한다. 작은 베이스 전류로 큰 컬렉터 전류를 제어한다는 설명이 편리하지만, 실제 전류가 어떻게 만들어지는지 이해하려면 두 접합의 바이어스와 얇은 베이스를 지나는 운반자를 함께 봐야 한다.
NPN의 순방향 활성 영역
전압을 V_BE = V_B - V_E, V_BC = V_B - V_C로 정의하자. NPN의 순방향 활성 동작은 베이스·이미터 접합의 순방향 바이어스와 베이스·컬렉터 접합의 역방향 바이어스, 즉 V_BE > 0, V_BC < 0을 전제로 한다. 이미터에서 베이스로 주입된 전자는 얇은 베이스를 확산해 지나고, 대부분 컬렉터 쪽 전기장에 의해 수집된다.
베이스에서는 일부 운반자가 재결합하고 베이스에서 이미터로 정공도 주입된다. 이런 성분을 공급하는 데 베이스 전류가 필요하다. MIT의 BJT 동작 자료는 운반자 흐름과 단자 전류를 구분한다. 이 글에서는 NPN의 I_C와 I_B를 단자로 들어가는 관습적 전류, I_E를 이미터 밖으로 나오는 전류의 양의 크기로 두므로 I_E = I_C + I_B다.
전류 이득은 고정 상수가 아니다
활성 영역의 근사식 I_C ≈ β I_B에서 β는 무차원 전류 이득이다. 예를 들어 β = 100이라는 가정 아래 베이스 전류 20 μA는 컬렉터 전류 2 mA에 해당한다. 하지만 β는 제품 간 편차와 전류, 온도, 컬렉터 전압에 따라 달라진다. β를 데이터시트의 대표값 하나로 고정해 바이어스를 설계하면 원하는 동작점에서 벗어날 수 있다.
물리적으로는 저주입 활성 영역에서 I_C ≈ I_S exp(V_BE/V_T)라는 전압 관계도 중요하다. I_S는 A 단위, V_T = kT/q는 열전압으로 300 K에서 약 25.9 mV다. 따라서 BJT를 전류 제어 소자라고만 이해하면 온도와 베이스·이미터 전압의 민감한 관계를 놓친다. 실제 회로에서는 저항과 피드백이 소자 특성과 함께 전류를 결정한다.
스위치와 증폭기는 다른 영역을 쓴다
NPN의 두 접합이 모두 순방향으로 바이어스되면 포화 영역이다. 이때 I_C = β I_B를 그대로 적용할 수 없다. MIT의 동작 영역 자료는 포화를 활성 영역과 별도로 다룬다. 꺼진 차단 영역, 선형 증폭에 쓰는 활성 영역, 켜진 스위치에 쓰는 포화 영역을 같은 의미의 켜짐으로 묶어서는 안 된다.
5 V 전원에서 1 kΩ을 통해 컬렉터에 연결하고 이미터를 0 V로 둔다고 하자. 포화 전압을 설명용으로 0.2 V라고 가정하면 컬렉터 전류는 약 (5 - 0.2)/1000 = 4.8 mA다. 이보다 더 큰 전류를 베이스에서 요구해도 컬렉터 회로가 공급하지 못한다. 실제 포화 전압은 데이터시트의 전류와 베이스 구동 조건으로 확인해야 하며 언제나 0.2 V인 것은 아니다.
활성 영역에서도 컬렉터 전압이 높아지면 유효 베이스 폭이 달라져 컬렉터 전류가 증가할 수 있다. 이를 얼리 효과라고 하며 출력 특성의 기울기가 완전히 0이 아닌 이유 중 하나다. 소신호 분석에서는 유한한 출력 저항으로 반영한다. 따라서 일정한 베이스 구동에서 전류가 컬렉터 전압과 무관하다는 모델은 첫 근사이며, 정밀 증폭기나 전류원에서는 이 오차가 중요해진다.
포화 상태에는 저장 전하가 생겨 차단으로 돌아오는 데 시간이 걸릴 수 있다. 증폭기에서는 충분한 출력 여유를 가진 활성 동작점을 잡고, 온도 변화에 따른 전류 증가를 억제하는 바이어스 회로가 중요하다. PNP는 전압 극성과 주된 운반자 방향을 반대로 해석해야 한다. BJT의 활용은 전류 이득 숫자 하나보다 접합 상태, 부하선, 열과 시간 응답을 함께 판단하는 데서 시작한다.