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바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)에 대한 모든 것
2024-03-21
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바이폴라 접합 트랜지스터의 기원
최신 바이폴라 접합 트랜지스터에서 실리콘은 기판인 게르마늄을 대체했으며 점 접촉은 두 개의 인접한 결합 pn 접합으로 대체되었습니다. 구조는 pnp 또는 npn 형태를 취할 수 있습니다.
"전달 저항기"의 약자인 트랜지스터는 다중 접합 반도체 장치입니다. 일반적으로 다른 회로 부품과 통합된 트랜지스터는 전압, 전류 또는 신호 전력 증폭을 달성하는 데 사용됩니다.
BJT(바이폴라 접합 트랜지스터)라고도 알려진 바이폴라 트랜지스터는 가장 중요한 반도체 장치 중 하나이며 고속 회로, 아날로그 회로, 전력 증폭 등에 폭넓게 응용됩니다.
예를 들어, p형 반도체는 랍스터에서 볼 수 있는 굴과 유사한 많은 구멍(전자 구멍으로 알려짐)으로 채워진 사각형 점토 조각과 같습니다. n형 반도체 역시 사각형의 점토 조각이지만 그 안에는 많은 랍스터(자유 전자)가 들어 있습니다. 이 두 개의 점토 조각을 서로 붙이면 바닷가재는 굴을 향해 기어갈 것입니다.
앞줄의 굴은 이미 거의 고갈되었기 때문에 반도체 업계에서는 이 영역을 공핍 영역이라고 부릅니다.
문과 같습니다. 한 방향으로 문을 밀면 쉽게 열 수 있지만 반대 방향으로 밀면 어렵습니다. 물론 큰 힘을 사용하여 문이 파손될 때까지 문을 격렬하게 밀 수도 있습니다. 이 과정을 접합부 파손이라고 합니다.
PN 접합의 전류-전압 특성을 살펴보면, 곡선은 아래 그림과 같습니다.
PN 접합에 역방향 바이어스가 가해지면 마치 진흙 속에 랍스터 망원경이 있는 것과 같습니다. 랍스터는 더 멀리 볼 수 있고 더 신나게 기어갈 수 있어 더 많은 랍스터가 굴을 찾을 수 있습니다. 결과적으로, 랍스터의 전반적인 움직임이 증가하고, 반도체의 공핍 영역의 폭이 확장됩니다.
아래 다이어그램은 pnp 바이폴라 트랜지스터의 투시도를 보여줍니다. 제조 공정에는 p형 반도체를 기판으로 사용하고 열확산 원리를 활용하여 p형 기판에 n형 영역을 만드는 과정이 포함됩니다. 이어서, 이 n형 영역 위에 열확산을 통해 고농도 p+형 영역이 형성된다. 마지막으로, p+, n 및 밑에 있는 p형 영역을 덮는 데 금속을 사용하여 오믹 접촉을 형성합니다.
적당한 불순물 농도를 갖는 중간의 좁은 n형 영역을 베이스(B로 표시)라고 하며, 베이스 영역의 폭은 소수 캐리어의 확산 길이보다 훨씬 작아야 합니다.
p형 농도가 가장 낮은 영역을 컬렉터(C로 표시)라고 합니다. 각 영역 내 농도의 균일한 분포를 가정하면, pn 접합의 개념은 트랜지스터 내의 접합에 직접 적용될 수 있습니다.
pnp 바이폴라 트랜지스터의 구조에서 p형 영역을 n형 영역으로, n형 영역을 p형 영역으로 바꾸면 npn 바이폴라 트랜지스터의 구조가 된다. 따라서 전류 방향과 전압 극성도 반대가 됩니다.
다이어그램 (a)는 세 개의 단자가 함께 연결되거나 모두 접지에 연결된 열 평형 상태의 이상적인 pnp 바이폴라 트랜지스터를 보여줍니다. 음영 처리된 영역은 두 개의 pn 접합의 공핍 영역을 나타냅니다.
다이어그램 (b)는 세 가지 도핑 영역의 불순물 농도를 보여줍니다. 이미터 영역은 컬렉터 영역보다 훨씬 높은 도핑 농도를 갖고, 베이스 영역은 이미터보다는 낮지만 컬렉터보다는 높은 농도를 갖습니다.
다이어그램 (c)는 공핍 영역의 전기장 분포를 보여줍니다.
다이어그램 (d)는 pn 접합의 열 평형 상태를 확장하고 이를 두 개의 인접한 결합 p+ - n 접합과 n - p 접합에 적용하는 트랜지스터의 에너지 밴드 다이어그램을 표시합니다.
다이어그램 (a)는 공통 베이스 구성 증폭기로 연결된 트랜지스터를 보여줍니다. 여기서 베이스는 입력 회로와 출력 회로 간에 공유됩니다.
다이어그램 (b)와 (c)는 이전 다이어그램에 묘사된 열 평형 상태와 비교하여 바이어스 조건 하에서 전하 밀도와 전기장 분포를 보여줍니다. 이미터-베이스 접합의 공핍 영역 폭은 좁아지는 반면, 컬렉터-베이스 접합의 공핍 영역은 넓어집니다.
다이어그램 (d)는 증폭 모드에서 작동하는 트랜지스터의 에너지 밴드 다이어그램을 표시합니다. 이미터-베이스 접합은 순방향 바이어스되어 p+ 이미터 영역에서 베이스 영역으로 정공이 주입되고 베이스 영역에서 이미터 영역으로 전자가 주입됩니다.
반면, 컬렉터-베이스 접합은 역바이어스되어 역포화 전류가 흐를 수 있습니다. 베이스 영역이 충분히 좁은 경우 이미터 영역에서 베이스 영역으로 주입된 정공은 베이스 영역을 통해 확산되어 컬렉터-베이스 공핍 영역의 가장자리에 도달하여 결국 컬렉터의 바이어스에 따라 컬렉터 영역을 통해 흐를 수 있습니다. 베이스 접합.
이러한 전송 메커니즘은 전하 캐리어를 주입하기 위한 "방출체"라는 이름과 인접한 접합에서 주입된 캐리어를 수집하기 위한 "컬렉터"라는 이름을 갖게 합니다.
주입된 정공의 대부분이 베이스 영역의 전자와 재결합하지 않고 컬렉터에 도달하면 정공으로 인한 컬렉터 전류는 이미터 홀 전류와 거의 일치합니다.
인접한 이미터-베이스 접합에서 주입된 정공이 역바이어스된 컬렉터-베이스 접합에서 상당한 전류를 생성하여 트랜지스터의 증폭 효과를 가져올 수 있다는 것이 분명합니다. 이는 이 두 접합이 서로 충분히 가까울 때만 발생합니다. 따라서 상호 작용하는 pn 접합이라고 합니다.
반대로, 두 pn 접합이 너무 멀리 떨어져 있으면 들어오는 모든 정공이 베이스 영역에서 전자와 재결합하여 컬렉터 영역에 도달하지 못하고, 결과적으로 트랜지스터의 증폭 효과가 발생하지 않습니다. 이 경우, pnp 구조는 단순히 두 개의 서로 등을 맞대고 연결된 pn 다이오드처럼 작동합니다.
전류 이득: 아래 다이어그램은 증폭 모드에서 작동하는 이상적인 pnp 트랜지스터의 다양한 전류 구성 요소를 보여줍니다. 공핍 영역에서 생성-재결합 전류가 없다고 가정하면 이미터 영역에서 주입된 정공이 지배적인 전류 성분 IEp를 구성합니다.
베이스에는 IBB, IEn 및 ICn의 세 가지 전류가 있습니다.
IBB는 입사 정공과 재결합하는 베이스에 의해 공급되는 전자의 전류를 나타냅니다(즉, IBB = IEp - ICp). IEn은 베이스 영역에서 이미터 영역으로 주입되는 전자의 전류를 나타내며, 이는 이미터를 과도하게 도핑하거나 이종접합을 사용하여 줄일 수 있는 바람직하지 않은 전류 성분입니다. ICn은 열 효과로 인해 컬렉터 접합 근처에서 생성되어 컬렉터 영역에서 베이스 영역으로 흐르는 전자 전류를 나타냅니다.
작동 모드: 이미터-베이스 접합 및 컬렉터-베이스 접합의 바이어스 전압에 따라 바이폴라 트랜지스터에는 4가지 작동 모드가 있습니다.
아래 다이어그램은 pnp 트랜지스터의 네 가지 작동 모드와 VEB 및 VCB와의 관계를 보여줍니다. 각 작동 모드에서 소수 캐리어의 분포도 다이어그램에 표시됩니다.
예를 들어, 증폭 모드에서 이미터-베이스 접합은 순방향 바이어스되고 컬렉터-베이스 접합은 역방향 바이어스됩니다.
포화 모드에서는 트랜지스터의 두 접합이 모두 순방향 바이어스되어 두 접합의 공핍 영역에 소수 캐리어가 존재하게 됩니다.
포화 모드에서는 낮은 전압으로 인해 큰 출력 전류가 발생하여 트랜지스터가 단락 회로와 유사한 전도 상태가 될 수 있습니다.
차단 모드에서는 트랜지스터의 두 접합 모두 역방향 바이어스되어 pn(0) = pn(W) = 0의 경계 조건이 됩니다. 차단 모드의 트랜지스터는 개방(또는 꺼짐) 위치에 있는 스위치로 볼 수 있습니다. .
반전 모드에서는 이미터-베이스 접합이 역방향 바이어스되고 컬렉터-베이스 접합이 순방향 바이어스됩니다. 이 모드에서는 컬렉터 전극이 이미터로 기능하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 그러나 반전 모드의 전류 이득은 일반적으로 베이스 영역에 비해 컬렉터 영역의 도핑 농도가 낮기 때문에 증폭 모드에서보다 작아서 "방출 효율"이 낮아집니다.
스위칭 과도 과정: 디지털 회로에서 트랜지스터는 주로 스위치 역할을 합니다. 작은 베이스 전류를 사용하면 매우 짧은 시간에 콜렉터 전류를 끄기에서 켜기(또는 그 반대로) 빠르게 변경할 수 있습니다. 오프 상태에서는 전압이 높고 전류가 낮으며, 온 상태에서는 전압이 낮고 전류가 높습니다.
이종접합 바이폴라 트랜지스터(HBT)
헤테로접합 바이폴라 트랜지스터(HBT)는 하나 또는 두 개의 접합이 서로 다른 반도체 재료로 만들어진 트랜지스터를 말합니다.
HBT의 가장 큰 장점은 높은 방출 효율이며 바이폴라 트랜지스터와 유사하게 사용됩니다. 그러나 HBT는 속도가 더 빠르고 더 높은 주파수에서 작동할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 HBT는 광전자공학, 마이크로파 및 디지털 응용 분야에 널리 사용됩니다. 마이크로파 응용 분야에서 HBT는 고체 마이크로파 및 밀리미터파 전력 증폭기, 발진기 및 믹서를 제조하는 데 일반적으로 사용됩니다.
기본 HBT 구조: 대부분의 HBT 기술은 AlxGa1-xAs/GaAs 재료 시스템에서 개발되었습니다. 기본 npn HBT 구조는 n형 이미터 영역의 넓은 밴드갭 AlxGa1-xAs 층, p형 베이스 영역의 더 좁은 밴드갭 GaAs 층, 저도핑 및 고농도 도핑으로 구성된 n형 컬렉터 및 부컬렉터 영역으로 구성됩니다. 각각 GaAs.
고급 HBT: 최근 몇 년 동안 InP 시리즈 재료(예: InP/InGaAs 또는 AlInAs/InGaAs)가 체계적으로 연구되었으며 InP 기반 이종 구조는 수많은 이점을 제공합니다. InP/InGaAs 구조는 표면 재결합이 극히 낮고 InGaAs의 전자 이동도가 GaAs보다 훨씬 높아 고주파 성능이 뛰어납니다.
아래 그래프는 차단 주파수가 최대 254GHz에 달하는 일반적인 인화인듐 기반 HBT의 특성 곡선을 보여줍니다. 또한 InP는 강한 전기장에서 GaAs보다 더 높은 드리프트 속도를 나타내며 항복 전압도 더 높습니다.
낮은 밀도의 실리콘 인터페이스 트랩은 표면 재결합 전류를 줄여 낮은 콜렉터 전류에서도 높은 전류 이득을 보장합니다. 또한 표준 실리콘 처리 기술과의 호환성도 매우 매력적인 특징입니다.
(a)의 다이어그램은 일반적인 Si/SiGe HBT 구조를 보여주며, (b)는 Si/SiGe HBT의 콜렉터 전류를 실리콘 동종접합 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터 전류와 비교하여 Si/SiGe HBT가 더 높은 전류 이득을 나타냄을 보여줍니다. 갈륨 비소 및 인듐 인화물 기반 HBT와 비교하여 Si/SiGe는
HBT는 실리콘의 캐리어 이동도가 낮기 때문에 차단 주파수가 더 낮습니다.
기본 특성: 아래 그림은 사이리스터 소자의 단면을 보여줍니다. 사이리스터는 직렬로 연결된 세 개의 pn 접합(J1, J2, J3)으로 이루어진 XNUMX층 pnpn 구조로 이루어져 있습니다. 접촉 전극에 연결된 가장 바깥쪽 p층을 애노드(anode)라고 하고, 반대쪽 n층을 캐소드(cathode)라고 합니다. 추가 전극이 없는 이 구조는 XNUMX단자 소자를 나타내며 pnpn 다이오드라고 합니다.
다이어그램 (c)는 열 평형 상태에 있는 사이리스터 장치의 에너지 밴드 다이어그램을 보여줍니다. 각 접합에는 공핍층이 있으며 내장 전위는 도핑 농도에 따라 결정됩니다.
각 사이클의 시작 부분에 게이트 전류 펄스가 적용되면 더 많은 전력이 부하로 전달됩니다. 반대로, 게이트 전류 펄스를 지연시키면 사이리스터 장치가 사이클의 끝 부분을 향해 전도할 때 부하에 전달되는 전력이 크게 감소합니다.
바이폴라 접합 트랜지스터는 1947년 Bell Laboratories의 연구팀에 의해 발명되었습니다. 첫 번째 트랜지스터는 게르마늄 기판과 점 접촉을 만드는 날카로운 끝점이 있는 두 개의 금속 와이어로 구성되었습니다. 오늘날의 기준으로는 원시적이지만 이 최초의 트랜지스터는 전체 전자 산업과 인류의 삶의 방식을 크게 변화시켰습니다.
최신 바이폴라 접합 트랜지스터에서 실리콘은 기판인 게르마늄을 대체했으며 점 접촉은 두 개의 인접한 결합 pn 접합으로 대체되었습니다. 구조는 pnp 또는 npn 형태를 취할 수 있습니다.
"전달 저항기"의 약자인 트랜지스터는 다중 접합 반도체 장치입니다. 일반적으로 다른 회로 부품과 통합된 트랜지스터는 전압, 전류 또는 신호 전력 증폭을 달성하는 데 사용됩니다.
BJT(바이폴라 접합 트랜지스터)라고도 알려진 바이폴라 트랜지스터는 가장 중요한 반도체 장치 중 하나이며 고속 회로, 아날로그 회로, 전력 증폭 등에 폭넓게 응용됩니다.
PN 접합이란 무엇입니까?
p형 반도체와 n형 반도체가 접촉하여 형성된 접합입니다.
예를 들어, p형 반도체는 랍스터에서 볼 수 있는 굴과 유사한 많은 구멍(전자 구멍으로 알려짐)으로 채워진 사각형 점토 조각과 같습니다. n형 반도체 역시 사각형의 점토 조각이지만 그 안에는 많은 랍스터(자유 전자)가 들어 있습니다. 이 두 개의 점토 조각을 서로 붙이면 바닷가재는 굴을 향해 기어갈 것입니다.
가장 앞쪽에 있는 랍스터는 맨 앞줄에 있는 굴을 가장 먼저 발견합니다. 앞줄의 랍스터가 굴 안으로 기어 들어가면 뒤에 있는 랍스터는 더 멀리 올라가야 하고 굴을 찾는 데 더 큰 어려움을 겪게 됩니다.
앞줄의 굴은 이미 거의 고갈되었기 때문에 반도체 업계에서는 이 영역을 공핍 영역이라고 부릅니다.
PN접합은 전류가 한 방향으로만 흐르게 하는 정류(Rectification)라는 특성을 가지고 있습니다.
문과 같습니다. 한 방향으로 문을 밀면 쉽게 열 수 있지만 반대 방향으로 밀면 어렵습니다. 물론 큰 힘을 사용하여 문이 파손될 때까지 문을 격렬하게 밀 수도 있습니다. 이 과정을 접합부 파손이라고 합니다.
PN 접합의 전류-전압 특성을 살펴보면, 곡선은 아래 그림과 같습니다.
PN 접합에 순방향 바이어스가 적용되면 진흙 속의 바닷가재에게 눈을 가리는 것과 같습니다. 랍스터는 근시가 되어 앞줄에 있는 굴만 볼 수 있습니다. 결과적으로 랍스터의 전체적인 움직임이 감소하고, 굴을 향해 기어가는 랍스터의 수도 감소하여 고갈 영역의 폭이 줄어듭니다.
PN 접합에 역방향 바이어스가 가해지면 마치 진흙 속에 랍스터 망원경이 있는 것과 같습니다. 랍스터는 더 멀리 볼 수 있고 더 신나게 기어갈 수 있어 더 많은 랍스터가 굴을 찾을 수 있습니다. 결과적으로, 랍스터의 전반적인 움직임이 증가하고, 반도체의 공핍 영역의 폭이 확장됩니다.
아래 그림에서 (a)는 PN 접합에서 공핍 영역의 일반 폭을 나타내고, (b)는 순방향 바이어스 적용 후의 폭, (c)는 역방향 바이어스 적용 후의 폭을 나타냅니다.
바이폴라 트랜지스터의 구조:
아래 다이어그램은 pnp 바이폴라 트랜지스터의 투시도를 보여줍니다. 제조 공정에는 p형 반도체를 기판으로 사용하고 열확산 원리를 활용하여 p형 기판에 n형 영역을 만드는 과정이 포함됩니다. 이어서, 이 n형 영역 위에 열확산을 통해 고농도 p+형 영역이 형성된다. 마지막으로, p+, n 및 밑에 있는 p형 영역을 덮는 데 금속을 사용하여 오믹 접촉을 형성합니다.
pnp 바이폴라 트랜지스터는 서로 다른 도핑 농도를 갖는 세 개의 영역으로 구성되어 두 개의 pn 접합을 형성합니다. 가장 높은 농도의 p+ 영역을 이미터(E로 표시)라고 합니다.
적당한 불순물 농도를 갖는 중간의 좁은 n형 영역을 베이스(B로 표시)라고 하며, 베이스 영역의 폭은 소수 캐리어의 확산 길이보다 훨씬 작아야 합니다.
p형 농도가 가장 낮은 영역을 컬렉터(C로 표시)라고 합니다. 각 영역 내 농도의 균일한 분포를 가정하면, pn 접합의 개념은 트랜지스터 내의 접합에 직접 적용될 수 있습니다.
아래 다이어그램은 다양한 전류 성분과 전압 극성을 나타내는 pnp 바이폴라 트랜지스터의 회로 기호를 보여줍니다. 화살표와 "+" 및 "-" 기호는 트랜지스터의 일반 작동 모드(즉, 증폭 모드, 활성 모드)에서 전류의 방향과 전압의 극성을 나타냅니다. 이 모드에서 이미터-베이스 접합은 순방향 바이어스(VEB > 0)되는 반면 컬렉터-베이스 접합은 역방향 바이어스(VCB < 0)됩니다. 에 따르면
키르히호프의 회로 법칙에 따르면, 이 3단자 장치에는 독립 전류가 2개만 있습니다. 두 가지 전류 중 하나라도 알려진 경우 세 번째 단자 전류를 결정할 수 있습니다.
키르히호프의 회로 법칙에 따르면, 이 3단자 장치에는 독립 전류가 2개만 있습니다. 두 가지 전류 중 하나라도 알려진 경우 세 번째 단자 전류를 결정할 수 있습니다.
npn 바이폴라 트랜지스터의 구조 및 회로 기호는 pnp 바이폴라 트랜지스터의 구조 및 회로 기호와 상보적입니다. 아래 그림은 pnp 트랜지스터의 이상적인 구조와 회로 기호를 보여줍니다.
pnp 바이폴라 트랜지스터의 구조에서 p형 영역을 n형 영역으로, n형 영역을 p형 영역으로 바꾸면 npn 바이폴라 트랜지스터의 구조가 된다. 따라서 전류 방향과 전압 극성도 반대가 됩니다.
pnp 트랜지스터를 이해하면 단순히 극성과 도핑 유형을 바꾸는 것으로 npn 트랜지스터를 설명할 수 있습니다.
IV. 바이폴라 트랜지스터 증폭 모드
다이어그램 (a)는 세 개의 단자가 함께 연결되거나 모두 접지에 연결된 열 평형 상태의 이상적인 pnp 바이폴라 트랜지스터를 보여줍니다. 음영 처리된 영역은 두 개의 pn 접합의 공핍 영역을 나타냅니다.
다이어그램 (b)는 세 가지 도핑 영역의 불순물 농도를 보여줍니다. 이미터 영역은 컬렉터 영역보다 훨씬 높은 도핑 농도를 갖고, 베이스 영역은 이미터보다는 낮지만 컬렉터보다는 높은 농도를 갖습니다.
다이어그램 (c)는 공핍 영역의 전기장 분포를 보여줍니다.
다이어그램 (d)는 pn 접합의 열 평형 상태를 확장하고 이를 두 개의 인접한 결합 p+ - n 접합과 n - p 접합에 적용하는 트랜지스터의 에너지 밴드 다이어그램을 표시합니다.
다음 다이어그램은 이전 그림에 설명된 증폭 모드에서 작동하는 트랜지스터에 해당합니다.
다이어그램 (a)는 공통 베이스 구성 증폭기로 연결된 트랜지스터를 보여줍니다. 여기서 베이스는 입력 회로와 출력 회로 간에 공유됩니다.
다이어그램 (b)와 (c)는 이전 다이어그램에 묘사된 열 평형 상태와 비교하여 바이어스 조건 하에서 전하 밀도와 전기장 분포를 보여줍니다. 이미터-베이스 접합의 공핍 영역 폭은 좁아지는 반면, 컬렉터-베이스 접합의 공핍 영역은 넓어집니다.
다이어그램 (d)는 증폭 모드에서 작동하는 트랜지스터의 에너지 밴드 다이어그램을 표시합니다. 이미터-베이스 접합은 순방향 바이어스되어 p+ 이미터 영역에서 베이스 영역으로 정공이 주입되고 베이스 영역에서 이미터 영역으로 전자가 주입됩니다.
이상적인 다이오드에서는 고갈 영역에 생성-재결합 전류가 없으므로, 에미터 영역에서 베이스 영역으로 주입되는 정공과 베이스 영역에서 에미터 영역으로 주입되는 전자가 에미터 전류를 구성합니다.
반면, 컬렉터-베이스 접합은 역바이어스되어 역포화 전류가 흐를 수 있습니다. 베이스 영역이 충분히 좁은 경우 이미터 영역에서 베이스 영역으로 주입된 정공은 베이스 영역을 통해 확산되어 컬렉터-베이스 공핍 영역의 가장자리에 도달하여 결국 컬렉터의 바이어스에 따라 컬렉터 영역을 통해 흐를 수 있습니다. 베이스 접합.
이러한 전송 메커니즘은 전하 캐리어를 주입하기 위한 "방출체"라는 이름과 인접한 접합에서 주입된 캐리어를 수집하기 위한 "컬렉터"라는 이름을 갖게 합니다.
주입된 정공의 대부분이 베이스 영역의 전자와 재결합하지 않고 컬렉터에 도달하면 정공으로 인한 컬렉터 전류는 이미터 홀 전류와 거의 일치합니다.
인접한 이미터-베이스 접합에서 주입된 정공이 역바이어스된 컬렉터-베이스 접합에서 상당한 전류를 생성하여 트랜지스터의 증폭 효과를 가져올 수 있다는 것이 분명합니다. 이는 이 두 접합이 서로 충분히 가까울 때만 발생합니다. 따라서 상호 작용하는 pn 접합이라고 합니다.
반대로, 두 pn 접합이 너무 멀리 떨어져 있으면 들어오는 모든 정공이 베이스 영역에서 전자와 재결합하여 컬렉터 영역에 도달하지 못하고, 결과적으로 트랜지스터의 증폭 효과가 발생하지 않습니다. 이 경우, pnp 구조는 단순히 두 개의 서로 등을 맞대고 연결된 pn 다이오드처럼 작동합니다.
전류 이득: 아래 다이어그램은 증폭 모드에서 작동하는 이상적인 pnp 트랜지스터의 다양한 전류 구성 요소를 보여줍니다. 공핍 영역에서 생성-재결합 전류가 없다고 가정하면 이미터 영역에서 주입된 정공이 지배적인 전류 성분 IEp를 구성합니다.
입사된 구멍의 대부분은 컬렉터 전극에 도달하여 ICp를 형성합니다.
베이스에는 IBB, IEn 및 ICn의 세 가지 전류가 있습니다.
IBB는 입사 정공과 재결합하는 베이스에 의해 공급되는 전자의 전류를 나타냅니다(즉, IBB = IEp - ICp). IEn은 베이스 영역에서 이미터 영역으로 주입되는 전자의 전류를 나타내며, 이는 이미터를 과도하게 도핑하거나 이종접합을 사용하여 줄일 수 있는 바람직하지 않은 전류 성분입니다. ICn은 열 효과로 인해 컬렉터 접합 근처에서 생성되어 컬렉터 영역에서 베이스 영역으로 흐르는 전자 전류를 나타냅니다.
작동 모드: 이미터-베이스 접합 및 컬렉터-베이스 접합의 바이어스 전압에 따라 바이폴라 트랜지스터에는 4가지 작동 모드가 있습니다.
아래 다이어그램은 pnp 트랜지스터의 네 가지 작동 모드와 VEB 및 VCB와의 관계를 보여줍니다. 각 작동 모드에서 소수 캐리어의 분포도 다이어그램에 표시됩니다.
예를 들어, 증폭 모드에서 이미터-베이스 접합은 순방향 바이어스되고 컬렉터-베이스 접합은 역방향 바이어스됩니다.
포화 모드에서는 트랜지스터의 두 접합이 모두 순방향 바이어스되어 두 접합의 공핍 영역에 소수 캐리어가 존재하게 됩니다.
포화 모드에서는 낮은 전압으로 인해 큰 출력 전류가 발생하여 트랜지스터가 단락 회로와 유사한 전도 상태가 될 수 있습니다.
차단 모드에서는 트랜지스터의 두 접합 모두 역방향 바이어스되어 pn(0) = pn(W) = 0의 경계 조건이 됩니다. 차단 모드의 트랜지스터는 개방(또는 꺼짐) 위치에 있는 스위치로 볼 수 있습니다. .
반전 모드에서는 이미터-베이스 접합이 역방향 바이어스되고 컬렉터-베이스 접합이 순방향 바이어스됩니다. 이 모드에서는 컬렉터 전극이 이미터로 기능하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 그러나 반전 모드의 전류 이득은 일반적으로 베이스 영역에 비해 컬렉터 영역의 도핑 농도가 낮기 때문에 증폭 모드에서보다 작아서 "방출 효율"이 낮아집니다.
스위칭 과도 과정: 디지털 회로에서 트랜지스터는 주로 스위치 역할을 합니다. 작은 베이스 전류를 사용하면 매우 짧은 시간에 콜렉터 전류를 끄기에서 켜기(또는 그 반대로) 빠르게 변경할 수 있습니다. 오프 상태에서는 전압이 높고 전류가 낮으며, 온 상태에서는 전압이 낮고 전류가 높습니다.
이종접합 바이폴라 트랜지스터(HBT)
헤테로접합 바이폴라 트랜지스터(HBT)는 하나 또는 두 개의 접합이 서로 다른 반도체 재료로 만들어진 트랜지스터를 말합니다.
HBT의 가장 큰 장점은 높은 방출 효율이며 바이폴라 트랜지스터와 유사하게 사용됩니다. 그러나 HBT는 속도가 더 빠르고 더 높은 주파수에서 작동할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 HBT는 광전자공학, 마이크로파 및 디지털 응용 분야에 널리 사용됩니다. 마이크로파 응용 분야에서 HBT는 고체 마이크로파 및 밀리미터파 전력 증폭기, 발진기 및 믹서를 제조하는 데 일반적으로 사용됩니다.
기본 HBT 구조: 대부분의 HBT 기술은 AlxGa1-xAs/GaAs 재료 시스템에서 개발되었습니다. 기본 npn HBT 구조는 n형 이미터 영역의 넓은 밴드갭 AlxGa1-xAs 층, p형 베이스 영역의 더 좁은 밴드갭 GaAs 층, 저도핑 및 고농도 도핑으로 구성된 n형 컬렉터 및 부컬렉터 영역으로 구성됩니다. 각각 GaAs.
옴 접촉을 형성하기 위해 고도로 도핑된 n형 갈륨 비소 층이 이미터 접촉과 알루미늄 갈륨 비소 층 사이에 추가됩니다. 이미터 영역과 베이스 영역 사이의 밴드갭 폭의 상당한 차이로 인해 공통 이미터 전류 이득이 크게 증가할 수 있습니다. 이에 비해 호모접합 바이폴라 트랜지스터는 이러한 밴드갭 폭 차이가 없기 때문에 에미터 영역과 베이스 영역 사이의 도핑 농도 비율을 크게 높여야 한다. 이러한 근본적인 차이점은 동종접합과 이종접합 바이폴라 트랜지스터를 구분합니다.
고급 HBT: 최근 몇 년 동안 InP 시리즈 재료(예: InP/InGaAs 또는 AlInAs/InGaAs)가 체계적으로 연구되었으며 InP 기반 이종 구조는 수많은 이점을 제공합니다. InP/InGaAs 구조는 표면 재결합이 극히 낮고 InGaAs의 전자 이동도가 GaAs보다 훨씬 높아 고주파 성능이 뛰어납니다.
아래 그래프는 차단 주파수가 최대 254GHz에 달하는 일반적인 인화인듐 기반 HBT의 특성 곡선을 보여줍니다. 또한 InP는 강한 전기장에서 GaAs보다 더 높은 드리프트 속도를 나타내며 항복 전압도 더 높습니다.
이종 접합의 또 다른 유형은 Si/SiGe 재료 시스템으로, 이는 HBT 응용 분야에 여러 가지 매력적인 기능을 제공합니다. AlGaAs/GaAs HBT와 마찬가지로 Si/SiGe HBT도 밴드갭 폭 차이로 인해 고농도 도핑이 가능하여 고속 성능을 얻을 수 있다는 이점이 있습니다.
낮은 밀도의 실리콘 인터페이스 트랩은 표면 재결합 전류를 줄여 낮은 콜렉터 전류에서도 높은 전류 이득을 보장합니다. 또한 표준 실리콘 처리 기술과의 호환성도 매우 매력적인 특징입니다.
(a)의 다이어그램은 일반적인 Si/SiGe HBT 구조를 보여주며, (b)는 Si/SiGe HBT의 콜렉터 전류를 실리콘 동종접합 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터 전류와 비교하여 Si/SiGe HBT가 더 높은 전류 이득을 나타냄을 보여줍니다. 갈륨 비소 및 인듐 인화물 기반 HBT와 비교하여 Si/SiGe는
HBT는 실리콘의 캐리어 이동도가 낮기 때문에 차단 주파수가 더 낮습니다.
섹션 VI: 사이리스터 장치 및 관련 전력 장치
사이리스터 장치는 고전압 및 고전류를 제어할 수 있는 중요한 전력 부품으로, 장치를 폐쇄 또는 차단 상태에서 개방 또는 전도 상태로 또는 그 반대로 전환할 수 있습니다. 이들의 작동은 전자와 정공의 전도를 모두 포함하는 바이폴라 트랜지스터와 밀접한 관련이 있습니다.
그러나 스위칭 메커니즘과 구조는 바이폴라 트랜지스터와 다르며 광범위한 전류 및 전압 제어 기능을 제공합니다. 정격 전류 범위는 수 밀리암페어부터 5000A 이상까지이며 정격 전압은 10,000V를 초과합니다.
그러나 스위칭 메커니즘과 구조는 바이폴라 트랜지스터와 다르며 광범위한 전류 및 전압 제어 기능을 제공합니다. 정격 전류 범위는 수 밀리암페어부터 5000A 이상까지이며 정격 전압은 10,000V를 초과합니다.
기본 특성: 아래 그림은 사이리스터 소자의 단면을 보여줍니다. 사이리스터는 직렬로 연결된 세 개의 pn 접합(J1, J2, J3)으로 이루어진 XNUMX층 pnpn 구조로 이루어져 있습니다. 접촉 전극에 연결된 가장 바깥쪽 p층을 애노드(anode)라고 하고, 반대쪽 n층을 캐소드(cathode)라고 합니다. 추가 전극이 없는 이 구조는 XNUMX단자 소자를 나타내며 pnpn 다이오드라고 합니다.
게이트라고 하는 또 다른 전극이 내부 p2 층에 연결되면 결과적으로 생성되는 XNUMX단자 장치를 반도체 제어 정류기(SCR) 또는 사이리스터라고 합니다.
(b)의 다이어그램은 사이리스터 장치의 일반적인 도핑 프로파일을 보여줍니다. 이는 고저항률 n형 실리콘 웨이퍼를 출발 물질(n층)로 시작하여 확산 단계를 거쳐 p1층과 p2층을 동시에 형성하는 것입니다. 마지막으로, 실리콘 웨이퍼의 한 면에 n2 층을 생성하기 위해 합금화 또는 확산이 사용됩니다.
다이어그램 (c)는 열 평형 상태에 있는 사이리스터 장치의 에너지 밴드 다이어그램을 보여줍니다. 각 접합에는 공핍층이 있으며 내장 전위는 도핑 농도에 따라 결정됩니다.
이 다이어그램은 전력선에서 부하로 전달되는 전력을 조정할 수 있는 사이리스터 장치의 간단한 응용을 보여줍니다. 예를 들어 부하 RL은 전구나 히터일 수 있습니다. 각 사이클에서 부하에 전달되는 전력은 사이리스터 장치의 게이트 전류 펄스에 의해 제어됩니다.
각 사이클의 시작 부분에 게이트 전류 펄스가 적용되면 더 많은 전력이 부하로 전달됩니다. 반대로, 게이트 전류 펄스를 지연시키면 사이리스터 장치가 사이클의 끝 부분을 향해 전도할 때 부하에 전달되는 전력이 크게 감소합니다.
바이폴라 트랜지스터에 관한 모든 정보입니다.
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