첫번째 글에서 말씀드렸었는데 BJT의 B는 Bipolar라는 뜻을 가지고 있고, 이는 전류를 형성하는 캐리어가 Hole, electron 둘다가 된다는 이야기입니다. 단, 홀과 전자가 둘다 동일한 비율로 전류에 기여하지는 않습니다. NPN이면 전자가 주로 기여를 하게 되며 PNP이면 주로 홀이 기여를 하게 되는 겁니다.
다음이 NPN 타입의 BJT의 액티브 모드에서의 전류의 흐름을 나타내는 밴드 다이어그램입니다. 보시면 알겠지만, 캐리어의 양을 표현하기 위해서 각각 두께를 다르게 표현했습니다. 두께가 두꺼울수록 많은 캐리어가 움직이는 것입니다. 번호별로 설명을 하겠습니다.
1. 처음에는 이미터에 헤비 도핑되어 있는 전자가 베이스-이미터 정션의 바이어스에 의해 베이스로 인젝션 되어 들어갑니다.
2. 베이스와 이미터 사이의 디플리션에서의 리콤비네이션 전류를 나타냅니다. 베이스와 이미터는 PN 정션이 되어 있으며, PN 정션에서는 디플리션 영역이 존재하고 있지요. 그 디플리션 영역에 포워드 바이어스를 걸었습니다. 포워드 바이어스라는 것은 에너지 장벽을 낮추면서 더 많은 캐리어들이 이동을 할 수 있게 하고, 이는 미약하나마 디플리션 영역에서의 캐리어 농도에도 영향을 미치게 되어, 포워드 바이어스 상태에서 디플리션 영역은 평형 상태일 때보다 더 많은 캐리어 농도를 가지게 됩니다.
하지만 모든 물질은 평형 상태로 돌아가려합니다. 따라서, 원래 캐리어 농도보다 많은 상태이므로 원래 농도로 돌아가기 위해 반대에서 흘러오는 hole과 리콤비네이션을 하려고 합니다. 여기서는 원래 이미터에서 입력된 캐리어에서 leak가 생겼고, 이 전류는 base current로 볼 수가 있게 됩니다.
3. neutral base region에서는 electron과 hole이 비교적 오랜 시간 조우하게 됩니다. 게다가 이 영역은 포워드 바이어스가 걸려있어 injection된 excess carrier로 인해서, 평형상태보다 캐리어의 농도가 높습니다. 따라서, 여기서 역시 평형상태로 돌아가기 위해 recombination이 일어나게 됩니다. 여기 역시 leak가 발생해서 collector로 이동하는 electron이 감소하게 되고, 여기서 leak된 전류를 recombination base current라고 합니다.
4. 여기는 B-C 정션에서 리버스 바이어스가 걸려 확장된 디플리션 영역입니다. 리버스 바이어스에서는 에너지 장벽이 올라가 캐리어가 흐르는 농도가 줄어들어 결국 이 디플리션 영역에는 평형 상태보다 적은 캐리어가 있게 됩니다. 모든 물질은 평형 상태로 돌아가려하며, 여기서 적은 캐리어에서 원래대로 돌아가기 위해 thermal generation이 발생하게 됩니다. 열생성이 만들어지는 것은 다음과 같습니다.
리버스 바이어스에서는 디플리션에 아주 강한 필드가 걸리게 되며, 디플리션 영역으로 들어온 전자는 그만큼 강한 에너지를 가지게 됩니다. 그리고 강한 에너지를 가지는 전자가 있고 그 에너지가 기판의 밴드갭보다 크다면, 전자가 이동하면서 lattice와 scattering을 하게 되면 전자가 가지고 있는 에너지가 전달되면서, lattice에 bonding되어 있던 전자와 홀을 떨어뜨리게 되면서 EHP Generation이 발생하게 됩니다. 여기서 생성된 전자와 홀은 각각의 전압에 의해 끌려들어가게 됩니다.
콜렉터에는 베이스보다 더 강한 전압이 걸려있으므로 전자는 그쪽으로 끌려가게 되며, 홀은 베이스에 더 적은 전압이
걸리므로 그쪽으로 이동하게 됩니다. 그리하여 각각의 캐리어의 흐름에 보탬이 되는 쪽으로 흐르게 됩니다.
5. 여기서 흐르는 전류를 injection된 electron에 의한 collector current라고 합니다. 이미 B-E 정션에서 VBE에 의해 일렉트론이 베이스로 인젝션 되어 농도차에 의해 diffusion되어 흐르고 있습니다. 만약에 리콤비네이션과 제너레이션이 없다면, 이 전류가 바로 콜렉터 전류가 될 텐데 중간에 leak와 EHP를 고려하여 콜렉터에 흐르는 전류를 injection된 electron collector current라고 합니다.
6. reverse bias라 할지라도 약간의 전류는 흐른다는 것을 다이오드를 공부할 때 배웠습니다. 이를 reverse saturation current라 하였는데, 홀에 의한 리버스 포화 전류 역시 콜렉터에서 베이스로 흐릅니다.
7. 리버스 포화 전류에 의한 캐리어, EHP Generation에 의한 캐리어, 그리고 바이어스에 의해 펌프질 되어 들어오는 홀의 캐리어의 흐름입니다.
8. 홀 역시 VBE가 forward bias가 걸리게 되면서 이미터쪽으로 인젝션 되어 들어오게 됩니다. 그리고 여기 들어온 홀은 농도차에 의해 흐르게 되어 diffusion current가 되어 흐릅니다. 이를 injection base current라고 합니다.
다음 글에서는 collector current를 유도하여 보겠습니다.