[트랜지스터의 특성] 양극 접합 트랜지스터 3 전류-전압 특성

트랜지스터의 전류-전압 특성은 입력 부분과 출력 부분으로 나눌 수 있다. 입력 부분은 다이오드의 특성과 동일하므로, 이제 출력 특성을 공부해보자.

pnp 트랜지스터의 공통베이스 회로에서의 전류-전압 특성 그림이다.

베이스(n), 에미터 & 콜렉터 (p)

공통베이스 회로에서 입력전류는 에미터 전류(I_E) 이고 출력전류는 콜렉터 전류(I_C)이다.

V_BC > 0 인 활동모드에서는 이전 글에서 보았듯이 I_C ≒ I_E 이고, 이 콜렉터 전류는 V_BC에 거의 무관하다.

반면에 V_BC < 0 가 되면 베이스-콜렉터는 순바이어스가 되므로 트랜지스터는 포화모드가 된다. 이렇게 베이스-콜렉터가 순바이어스 됨으로써 콜렉터(p)에서 베이스(n)로 정공이 확산될 수 있다.

이 정공의 확산은 에미터에서 베이스를 지나 콜렉터로 넘어오는 정공의 이동(콜렉터 전류)과 방향이 반대이므로 콜렉터 전류의 감소를 가져온다.

이에 따라 콜렉터 전류는 V_BC의 크기가 음으로 커짐에 따라 점점 감소하게 된다.(포화모드)

그런데 에미터 전류가 큰 경우에는 에미터에서 베이스를 지나 콜렉터로 들어오는 정공이 많아지므로 동일한 I_C를 위해서는 베이스-콜렉터 전압이 더 커야 한다. 콜렉터에서 베이스로 이동하는 정공의 수가 많아지기 때문이다.

차단모드의 끝은 입력전류가 0이 되는 경우이다.(I_E = 0) 이 때의 콜렉터 전류는 I_CBO가 된다. 이 전류는 에미터를 개방(open, I_E = 0)하고 V_BC > 0 일 때의 베이스-콜렉터 접합의 역포화전류에 해당한다.

pnp트랜지스터의 공통에미터 회로에서의 전류-전압 특성 그림이다.

에미터(n), 베이스 & 콜렉터(p)

공통에미터에서 입력전류는 I_B이다. 그리고 출력 부분의 전압은 V_EC이다.

에미터-베이스 접합이 순바이어스이고(V_EB > 0) 베이스-콜렉터 접합이 역바이어스(V_CB < 0 또는 V_BC > 0)인 경우 트랜지스터는 활동모드에 있다.

활동모드(V_BC > 0)의 끝은 V_BC = 0 인 경우이다. V_BC < 0 이 되면 베이스와 콜렉터가 순바이어스가 되어 포화모드가 된다. 즉, V_BC = 0 이 되는 곡선이 활동모드와 포화모드의 경계를 주고 있다.

따라서 활동모드의 끝에서의 공통에미터 출력부분의 전압은 V_EB랑 같게 된다.

I_B가 증가하면 활동모드에서의 콜렉터 전류 I_C도 증가하게 된다.

포화영역(V_BC < 0)에서는 고정된 I_B와 V_EB에서 베이스-콜렉터 접합이 순바이어스가 되면서 콜렉터(p)에서 베이스(n)로 정공이 이동함으로써 콜렉터의 전류를 감소시킨다.

V_EC를 점점 더 감소시키면 V_EC = V_EB - V_BC 에서 V_BC가 점점 커지게 되어 베이스-콜렉터 순바이어스 전압이 증가함으로써 콜렉터 전류는 더욱 감소함을 알 수 있다.

똑같이 V_EC = V_EB - V_BC 식을 보면큰 I_B에서는 V_EB도 크므로 포화와 활동모드의 경계인 V_BC = 0 이 되는 V_EC의 값도 커짐을 볼 수 있다.

그리고 I_B = 0 이 되는 지점이 차단모드의 경계가 된다. 이 때의 콜렉터 전류는 I_CEO가 된다. 이는 베이스가 개방(open, I_B = 0) 된 상태에서의 콜렉터에서 에미터로 흐르는 전류를 나타낸다.

I_C < I_CEO 인 경우 두 접합 모두 역바이어스가 되므로 콜렉터 전류는 거의 0에 가깝게 된다.

역활동모드에서는 에미터-베이스는 역바이어스이고 베이스-콜렉터는 순바이어스인 경우이다. 이는 에미터와 콜렉터의 역할을 바꾼 것이다.

즉, 에미터를 콜렉터로, 콜렉터를 에미터로 사용하는 것이다. 이 경우 콜렉터 전류는 활동영역에 비해 아주 작다.

이는 에미터(원래의 콜렉터)는 콜랙터(원래의 에미터)에 비해 아주 약하게 도핑되어 있기 때문에 정공의 이동이 적어서 콜렉터 전류(원래의 에미터 전류)가 작은 것이다.

활동모드에서는 Early 효과가 있을 수 있다.

이 효과에 의해 위의 공통베이스, 공통에미터 회로의 활동모드에서 콜렉터 전류가 전압 V_BC(공통베이스) / V_EC(공통에미터) 가 증가함에 따라 증가하게 된다.

활동모드에서 베이스-콜렉터는 역바이어스이므로 전압이 증가함에 따라 베이스의 두께가 줄어든다. 베이스의 두께가 줄어듦으로써 베이스 수송률이 증가하게 된다.

따라서 α 가 증가하게 되고, 이에 따라 I_C가 V_BC의 증가에 따라 약간씩 증가하게 된다. 이를 Early 효과라고 부른다.

그런데 이 Early 효과는 공통베이스 회로에서보다 공통에미터 회로에서 더 크다.

공통베이스 회로에서는 I_E가 고정된 상태에서 베이스 두께의 감소에 따른 α의 증가에만 의한 것이었다.

베이스 두께가 감수하면 V_BC가 증가하기 때문이다.

반면에 공통에미터 회로에서는 I_B가 고정되어 있다. 이에 따라 V_BC가 증가하여 베이스의 두께가 감소하면 두가지의 효과가 나타난다.

- 소수캐리어의 농도 차이가 많이 나므로 I_E가 증가한다.

- 베이스에서의 재결합이 줄어듦으로써 α도 증가하게 된다.

이 두 가지 효과가 함께 존재하기 때문에 공통에미터의 전류-전압 곡선에서의 Early 효과가 더 크게 나타난다.

위의 그림 중 왼쪽에 있는 그림은 실제의 공통에미터 회로에서의 전류-전압 특성을 보여주고 있다. 여기서 보듯이 V_EC의 증가에 따라 I_C가 조금씩 증가함을 볼 수 있다.

오른쪽 그림은 이 효과에 의해 각 I_B에 대한 특성곡성을 연장하면 하나의 점(V_CE 축 위에 있는)에서 만나게 됨을 보여준다. 이렇게 만나는 지점의 전압을 Early 전압이라고 부른다.

그리고 콜렉터 전류는 아래와 같이 표현된다.

이 식에서 V_A가 Early 전압이다. Early 전압은 대략 50~100V 사이의 값을 가진다.

'과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초' 책을 공부하여 작성 하였습니다.