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접합형 트랜지스터

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목차

1. 개요

접합형 트랜지스터(BJT)는 세 개의 도핑된 반도체 영역(에미터, 베이스, 컬렉터)으로 구성된 트랜지스터로, 전류 제어나 전압 제어를 통해 작동하며, NPN형과 PNP형 두 가지 유형이 있다. 1947년 발명되어 증폭기, 디지털 논리 회로 등에 사용되었으며, 소신호 및 대신호 모델이 존재한다. 다링턴 트랜지스터, 식클라이 접속과 같은 다양한 형태로 응용되며, 방사선 손상, 전력 정격 초과, 2차 내압 파괴 등의 취약성을 갖는다.

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접합형 트랜지스터
기본 정보
일반적인 개별 BJT 패키지. 왼쪽부터: SOT-23, TO-92, TO-126, TO-3
작동 원리반도체
발명1947년 12월
핀컬렉터, 베이스, 이미터
기호[[파일:IEEE 315-1975 (1993) 8.6.1.svg|upright=0.5]] [[파일:IEEE 315-1975 (1993) 8.6.2.svg|upright=0.5]]
기호 설명BJT PNP 및 NPN 회로도 기호
명칭
영어Bipolar junction transistor; BJT
다른 영어 명칭Bipolar transistor
일본어バイポーラトランジスタ
설명
특징전하 캐리어로 전자와 정공을 모두 사용하는 트랜지스터

2. 구조

평면형 NPN 바이폴라 접합 트랜지스터의 단순화된 단면도


2N2222 NPN 트랜지스터의 다이: NPN 재료는 컬렉터가 바닥에 있는 층으로 만들어진다. 본딩 와이어는 왼쪽 리드에 베이스의 금속화를, 오른쪽 리드에 에미터를 연결한다. 컬렉터는 세 번째 외부 리드를 사용하여 캔에 연결된다.


접합형 트랜지스터(BJT)는 에미터, 베이스, 컬렉터의 세 영역으로 구성된다. PNP 트랜지스터는 P형, N형, P형, NPN 트랜지스터는 N형, P형, N형 반도체로 되어있다. 각 영역은 에미터(E), 베이스(B), 컬렉터(C)로 표시된 단자에 연결된다.

베이스는 에미터와 컬렉터 사이에 있으며, 낮은 농도로 도핑된 고저항 재료로 만들어진다. 컬렉터는 에미터 영역을 둘러싸고 있어 베이스로 주입된 전자가 수집되지 않고 빠져나가는 것을 거의 불가능하게 만든다. BJT의 단면도는 컬렉터-베이스 접합이 에미터-베이스 접합보다 면적이 훨씬 크다는 것을 보여준다.

BJT는 대칭적인 소자가 아니다. 컬렉터와 에미터를 바꾸면 트랜지스터가 순방향 능동 모드를 벗어나 역방향 모드로 작동한다. 트랜지스터 내부 구조는 순방향 작동에 최적화되어 있어, 컬렉터와 에미터를 바꾸면 역방향 작동에서 α와 β의 값이 순방향 작동보다 훨씬 작아진다. 에미터는 고농도로 도핑되고 컬렉터는 저농도로 도핑되어 컬렉터-베이스 접합이 고장 나기 전에 큰 역방향 바이어스 전압을 인가할 수 있다.

베이스-에미터 단자에 걸리는 전압의 작은 변화는 에미터와 컬렉터 사이의 전류를 크게 변화시킨다. 이 효과는 전압 또는 전류 증폭에 사용된다. 초기 트랜지스터는 게르마늄으로 만들어졌지만, 현대 BJT는 대부분 실리콘으로 만들어진다.

이종접합 바이폴라 트랜지스터(HBT)는 수백 GHz의 매우 높은 주파수 신호를 처리할 수 있는 BJT의 개선된 버전이다.[7][8]

2. 1. PNP형과 NPN형

NPN형은 n형-p형-n형 반도체 순서로 접합되어 있으며, PNP형은 p형-n형-p형 반도체 순서로 접합되어 있다.[2] 초기에는 제조가 간단하여 게르마늄 PNP형이 많이 사용되었으나, 현재는 실리콘 NPN형이 주로 사용된다. 실리콘 NPN형은 동작이 고속이고 증폭률, 내전력 등의 특성이 우수하다.

PNP


NPN


PNP형과 NPN형의 기호

NPN 트랜지스터는 얇은 p형 도핑 영역을 공유하는 두 개의 반도체 접합으로 구성되며, PNP 트랜지스터는 얇은 n형 도핑 영역을 공유하는 두 개의 반도체 접합으로 구성된다. n형은 이동성 전자를 제공하는 불순물(예: 인 또는 비소)을 도핑한 것을 의미하며, p형은 전자를 쉽게 받아들이는 정공을 제공하는 불순물(예: 붕소)을 도핑한 것을 의미한다.[2]

고주파용 KSY34 NPN 접합형 트랜지스터 다이, 베이스와 에미터는 본딩 와이어에 의해 외부와 연결.


진공관과는 다르게, 트랜지스터는 보완형 페어가 존재한다. 보완형 페어는 극성이 반전되어 있는 것을 제외하고는 특성이 비슷한 NPN과 PNP 트랜지스터의 쌍을 의미한다. 예를 들어 2SC1815와 2SA1015와 같은 페어가 있다. 이러한 보완형 페어를 이용하는 회로로 푸시풀 증폭 회로의 일종인 SEPP 회로가 있다.

3. 동작 원리

BJT는 NPN형과 PNP형 두 가지로 나뉜다. NPN 트랜지스터는 두 개의 n형 반도체 사이에 얇은 p형 반도체가 끼어 있는 형태이고, PNP 트랜지스터는 두 개의 p형 반도체 사이에 얇은 n형 반도체가 끼어 있는 형태이다. n형 반도체는 인이나 비소 등의 불순물을 첨가하여 전자가 많아지게 만든 것이고, p형 반도체는 붕소 등의 불순물을 첨가하여 정공이 많아지게 만든 것이다.

NPN BJT의 동작: 베이스-에미터 접합은 순방향, 베이스-컬렉터 접합은 역방향 바이어스


BJT의 전하 흐름은 확산 현상 때문이다. 확산은 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 입자가 이동하는 현상이다. BJT는 에미터, 베이스, 컬렉터라고 불리는 세 영역으로 구성되며, 각 영역은 서로 다른 농도로 도핑되어 있다. 일반적으로 에미터는 가장 진하게 도핑되고, 컬렉터는 베이스보다 덜 진하게 도핑된다.[2] BJT는 주로 에미터에서 베이스로 주입된 전하 캐리어(NPN의 경우 전자, PNP의 경우 정공)가 컬렉터로 확산되어 전류를 형성하기 때문에 '소수 캐리어 소자'로 분류된다.

일반적인 동작에서 베이스-에미터 접합은 순방향 바이어스(p형이 n형보다 전위가 높음)되고, 베이스-컬렉터 접합은 역방향 바이어스된다. 순방향 바이어스가 걸리면 에미터의 전자가 베이스로 주입되고, 이 전자들은 베이스를 지나 컬렉터로 확산된다. 재결합되는 전자의 비율을 최소화하기 위해 베이스 영역은 매우 얇게 만들어지며, 베이스의 도핑 농도를 낮추면 재결합률이 낮아진다. 얇은 베이스와 비대칭적인 컬렉터-에미터 도핑은 BJT를 직렬로 연결된 두 개의 다이오드와 구별한다.

BJT는 에미터, 베이스, 컬렉터의 세 영역으로 구성된다. PNP 트랜지스터는 P형-N형-P형, NPN 트랜지스터는 N형-P형-N형 순서로 배치된다. 베이스는 에미터와 컬렉터 사이에 물리적으로 위치하며, 저농도로 도핑된 고저항 재료로 만들어진다. BJT는 컬렉터와 에미터를 바꾸면 순방향 작동 모드에서 벗어나 역방향 모드로 작동한다. 트랜지스터 내부 구조는 순방향 작동에 최적화되어 있어 역방향 작동 시 성능이 저하된다. 이러한 비대칭성은 에미터와 컬렉터의 도핑 비율 차이 때문이다.

베이스-에미터 전압의 작은 변화는 에미터와 컬렉터 사이의 전류를 크게 변화시킨다. 이 효과를 이용하여 입력 신호를 증폭할 수 있다. BJT는 전압 제어 전류원으로 생각할 수 있지만, 베이스의 낮은 임피던스 때문에 전류 제어 전류원 또는 전류 증폭기로 더 간단하게 특징지을 수 있다.

초기 트랜지스터는 게르마늄으로 만들어졌지만, 현대 BJT는 대부분 실리콘으로 만들어진다. 고속 애플리케이션에는 갈륨 비소가 사용되기도 한다. 이종접합 바이폴라 트랜지스터(HBT)는 BJT의 성능을 개선한 것으로, 수백 GHz의 고주파 신호를 처리할 수 있다. HBT는 MOCVD나 MBE와 같은 에피택시 기술로 성장시킨다.[7][8]

전류 방향이 표시된 NPN 바이폴라 트랜지스터 기호


NPN 트랜지스터의 구조 및 사용; 회로도에 따른 화살표


NPN 트랜지스터에서 에미터 전류 ''I''E는 베이스 전류 ''I''B와 컬렉터 전류 ''I''C의 합이다. (''I''E = ''I''B + ''I''C). 전류를 나타내는 화살표는 전자의 흐름과 반대 방향이다. 능동 모드에서 콜렉터 전류와 베이스 전류의 비율을 직류 전류 이득(h_{\text{FE}} 또는 \beta)이라고 하며, 일반적으로 100 이상이다.[3] 에미터 전류는 V_{\text{BE}}에 지수적으로 비례한다. 상온에서 V_{\text{BE}}가 약 60 mV 증가하면 에미터 전류는 10배 증가한다.

평형 상태 NPN 트랜지스터의 에너지 띠


능동 모드 NPN 트랜지스터의 에너지 띠. 에미터에서 베이스로 전자가 주입되고 컬렉터로 확산


BJT는 두 개의 p-n 접합(다이오드)으로 생각할 수 있다. 하지만 두 개의 다이오드를 연결한다고 BJT가 되지는 않는데, 소수 캐리어가 한 p-n 접합에서 다른 p-n 접합으로 이동할 수 없기 때문이다. BJT는 작은 베이스 전류 입력으로 컬렉터에서 증폭된 출력을 제어하는 방식으로 작동하여 스위치 및 증폭기로 사용된다.

3. 1. 전류 방향

회로도에서 전류 방향은 관례적으로 양전하가 이동하는 방향, 즉 통상 전류로 표시된다. 실제 전자는 음전하를 띠므로 통상 전류와 반대 방향으로 이동한다. 그러나 바이폴라 트랜지스터 내부에서는 양전하를 띤 정공과 음전하를 띤 전자 모두 전류 흐름에 관여할 수 있다.

바이폴라 트랜지스터 기호의 화살표는 베이스와 에미터 사이의 p-n 접합을 나타내며, 직류 전류가 흐르는 방향을 가리킨다.

3. 2. 전압, 전류 및 전하 제어

컬렉터-에미터 전류는 베이스-에미터 전류(전류 제어) 또는 베이스-에미터 전압(전압 제어)에 의해 제어되는 것으로 볼 수 있다. 이러한 관점은 베이스-에미터 접합의 전류-전압 관계, 즉 일반적인 p-n 접합(다이오드)의 지수 전류-전압 곡선으로 관련되어 있다.[3]

컬렉터 전류에 대한 설명은 베이스 영역에서 소수 캐리어의 농도 기울기이다.[3][4][5] 검멜-푼 모델과 같은 트랜지스터 동작의 자세한 모델은 이 전하의 분포를 명시적으로 고려하여 트랜지스터 동작을 더 정확하게 설명한다.[6] 전하 제어 관점은 포토트랜지스터(베이스 영역의 소수 캐리어가 광자의 흡수에 의해 생성되는 경우) 및 베이스 영역의 재결합 전하에 따라 달라지는 턴오프 또는 회복 시간의 역학을 쉽게 처리한다.

3. 3. 동작 영역

유형인가
전압접합 바이어스동작 모드B–EB–CNPNE < B < C순방향역방향능동 모드E < B > C순방향순방향포화 모드E > B < C역방향역방향차단 모드E > B > C역방향순방향역능동 모드PNPE < B < C역방향순방향역능동 모드E < B > C역방향역방향차단 모드E > B < C순방향순방향포화 모드E > B > C순방향역방향능동 모드



이 영역들은 충분히 큰 인가 전압에 대해서는 잘 정의되어 있지만, 작은(수백 밀리볼트 미만) 바이어스에 대해서는 다소 겹치는 부분이 있다. 예를 들어, 디지털 논리에서 풀다운 스위치로 사용되는 NPN BJT의 일반적인 접지된 에미터 구성에서 "off" 상태는 베이스 전압이 접지 아래로 내려가지 않기 때문에 역방향 바이어스 접합을 포함하지 않는다. 그럼에도 불구하고 순방향 바이어스가 0에 가까워서 본질적으로 전류가 흐르지 않으므로, 순방향 능동 영역의 이 끝 부분은 차단 영역으로 간주될 수 있다.

4. 특성

BJT는 작은 베이스 전류로 큰 컬렉터 전류를 제어하는 증폭 특성을 갖는다. 이때 베이스 전류에 대한 컬렉터 전류의 비율(직류 전류 이득)은 일반적으로 100 이상이며, h_{\text{FE}} 또는 \beta로 표시한다.[3] 컬렉터 전류는 컬렉터 전압 변화에 크게 영향을 받지 않고 거의 일정하게 유지되는 정전류 특성을 보인다.

베이스-에미터 접합은 다이오드와 유사한 구조이므로, 베이스 전류를 흘리려면 베이스-에미터 간 전압이 특정 임계값(접합부 포화 전압) 이상이어야 한다. 실리콘 트랜지스터의 경우 실온에서 약 0.6~0.7V이다.

BJT는 증폭 소자로 널리 사용되지만, 동작 시 소비 전력이 크다는 단점이 있어 대전력을 다루는 경우에는 진공관이나 FET에 비해 불리하다. 스위칭 소자로는 소수 캐리어 축적 효과 때문에 동작 속도에 한계가 있지만, 스위치 ON/OFF 제어 신호로 전류만 흘리면 되므로 전압 제약이 있는 용도에서 다루기 쉽다.

높은 증폭률과 양산성 덕분에 BJT는 민생, 산업, 항공 우주, 방위 등 다양한 분야에서 널리 사용되는 전자 소자이다.

4. 1. 주요 파라미터

; hFE (직류 전류 증폭률)

: 에미터 접지 회로에서 베이스 전류에 대한 컬렉터 전류의 비율이다. 보통 50~200 정도이며, 같은 종류의 트랜지스터라도 제품마다 차이가 크다. 저항 트랜지스터는 누설 전류가 커서 직류에서 정확한 증폭률 측정이 어려워 교류 신호 증폭률(hfe)로 표기하기도 한다.[41]

; VBE (베이스-에미터 간 전압)

: 베이스-에미터 간 다이오드 접합에 발생하는 전압으로, 실리콘 트랜지스터는 보통 0.6V 정도이다. 온도가 상승하면 VBE는 낮아진다.

; fT (차단 주파수, 전이 주파수)

: 증폭률이 1이 되는 주파수이다.

5. 종류

BJT는 물리적 구조와 제조 방법에 따라 다음과 같이 분류된다.



점접촉형을 제외하고는 모두 접합형이다. 현재는 플래너형 트랜지스터가 주류를 이루며, 점접촉형은 트랜지스터 발명 초기 단계에서만 사용되었다.[40]

5. 1. 다링턴 연결

NPN 트랜지스터를 사용한 다링턴 연결


'''다링턴 연결(Darlington pair)''' 또는 '''다링턴 트랜지스터'''는 두 개의 트랜지스터를 연결하여 큰 전류 증폭을 얻는 방식이다. 시드니 다링턴이 고안했다.

두 트랜지스터의 컬렉터를 병렬로 연결하고, 첫 번째 트랜지스터의 에미터를 두 번째 트랜지스터의 베이스에 연결하여 하나의 트랜지스터처럼 사용한다. 전체 hFE(전류 증폭률)는 각 트랜지스터 hFE의 곱이 되어, 작은 베이스 전류로 매우 큰 컬렉터 전류를 제어할 수 있다.

트랜지스터 발명 초기에는 PNP형 대형 트랜지스터 제작이 어려워, PNP 소형 트랜지스터와 NPN 대형 트랜지스터를 다링턴 연결하여 PNP형처럼 동작하게 했다. 현대에는 집적회로 내에서 증폭률이 큰 PNP형 트랜지스터를 만들기 어렵거나, 대전력을 다루면서 높은 증폭률이 필요한 경우에 사용된다.

다링턴 연결된 트랜지스터는 하나의 패키지에 담겨 있기도 하며, 규격표나 데이터시트를 통해 확인해야 한다. 보통 다링턴 연결은 동일한 접합 유형(NPN, PNP)의 트랜지스터를 사용하며, 전체 VBE(베이스-에미터 전압)는 두 트랜지스터 VBE의 합이 된다.

hFE가 1000~3000 이상으로 매우 높은 '''슈퍼 베타 트랜지스터'''도 있지만, 대부분 소신호용 NPN형이고 최대 컬렉터 전압이 낮다.

5. 1. 1. 인버티드 다링턴 연결 (Sziklai pair)

Sziklai pair(식클러이 쌍)라고도 불리는 인버티드 다링턴 연결은 NPN과 PNP 트랜지스터를 조합하여 사용한다. 이 연결 방식에서는 첫 번째 트랜지스터의 컬렉터를 두 번째 트랜지스터의 베이스에 연결한다. 첫 번째 트랜지스터의 에미터와 두 번째 트랜지스터의 컬렉터를 병렬로 연결하여 전체 에미터로 삼고, 두 번째 트랜지스터의 에미터를 전체 컬렉터로 한다. 전체 접합 유형은 첫 번째 트랜지스터의 접합 유형과 같아지며, 베이스-에미터 간 전압은 첫 번째 트랜지스터의 베이스-에미터 간 전압과 동일하다. hFE는 일반적인 다링턴 연결과 마찬가지로 증가한다.[42]

일반적인 다링턴 연결에 비해 베이스-에미터 전압이 낮다는 장점이 있지만, 전체 컬렉터-에미터 간 포화 전압은 첫 번째 트랜지스터의 컬렉터-에미터 간 포화 전압과 두 번째 트랜지스터의 베이스-에미터 간 전압의 합이 되므로, 스위칭 용도로 사용할 때 손실이 증가하는 단점이 있다.[42]

6. 응용

BJT는 특정 응용 분야에서 뛰어난 성능을 보인다. 개별 회로 설계와 같이 BJT는 MOSFET에 비해 높은 트랜스컨덕턴스와 출력 저항을 가지고 있어 장점이 있다.

또한 BJT는 무선 시스템용 고주파 회로와 같은 초고주파 응용 분야를 포함한 까다로운 아날로그 회로에도 적합하다.

온도 센서로도 활용되는데, 순방향 바이어스된 베이스-에미터 접합 전압의 온도 및 전류 의존성을 이용한다. BJT는 알려진 비율로 두 개의 다른 바이어스 전류에서 두 전압을 빼서 온도를 측정할 수 있다.[38]

베이스-에미터 전압이 베이스-에미터 및 컬렉터-에미터 전류의 로그 함수에 따라 변하기 때문에, BJT를 사용하여 로그 및 역로그를 계산할 수 있다. 다이오드도 이러한 비선형 함수를 수행할 수 있지만, 트랜지스터가 더 많은 회로 유연성을 제공한다.

컬렉터-베이스 간 고장 전압보다 컬렉터-에미터 간 고장 전압이 의도적으로 낮게 제작된 트랜지스터를 활용하여 매우 날카로운 낙하 에지를 만들 수 있다. 이러한 목적으로 특수한 애벌랜치 트랜지스터가 제작되기도 한다.

6. 1. 증폭기

BJT는 공통 이미터, 공통 베이스, 공통 컬렉터의 세 가지 주요 증폭기 토폴로지로 사용된다.[3] 용도에 따라 에미터 접지 회로, 베이스 접지 회로, 컬렉터 접지 회로 등으로 사용될 수 있다. 일반적으로 전압 증폭률과 전류 증폭률 모두 우수한 에미터 접지 회로가 사용된다. 자세한 내용은 증폭 회로 항목을 참조하면 된다.

6. 2. 디지털 논리

에미터 결합 논리(ECL)는 BJT를 사용한다.

바이폴라 트랜지스터는 BiCMOS 공정을 사용하여 집적 회로에서 MOSFET과 결합하여 두 가지 유형의 트랜지스터의 장점을 활용하는 회로를 만들 수 있다.

7. 모델링

접합형 트랜지스터(BJT)의 동작을 해석하기 위해 다양한 모델이 사용된다.

트랜지스터 동작에 대한 상세 모델에는 검멜-푼 모델과 같이 트랜지스터 동작을 더 정확하게 설명하기 위해 전하 분포를 명시적으로 고려하는 모델이 있다.[6] 전하 제어 관점은 포토트랜지스터나 턴오프 또는 회복 시간의 역학과 같이 베이스 영역의 전하에 따라 달라지는 현상을 쉽게 설명할 수 있다.

회로 설계 및 분석에는 주로 전류 및 전압 제어 관점이 사용된다. 아날로그 회로 설계에서는 BJT의 특성이 대략 선형적이기 때문에 전류 제어 관점이 때때로 사용된다. 즉, 컬렉터 전류는 베이스 전류의 약 \beta_\text{F} 배이다. 하지만, 정확하고 안정적인 BJT 회로 설계를 위해서는 전압 제어 모델(예: 에버스-몰 모델)이 필요하다.[3] 전압 제어 모델에서는 지수 함수를 고려해야 하지만, 트랜지스터를 트랜스컨덕턴스로 선형화하면 회로 설계가 다시 대부분 선형 문제가 되므로 전압 제어 관점이 선호된다.

일반적으로 트랜지스터 레벨 회로 분석은 SPICE와 같은 회로 시뮬레이터를 사용하여 수행되므로, 모델의 복잡성은 설계자에게 큰 문제가 되지 않는다. 하지만, BJT의 특성에 대한 단순화된 관점을 통해 논리적인 설계 프로세스를 만들 수 있다.

7. 1. 대신호 모델

에버스-몰 모델은 트랜지스터 전류에 대한 수학적 모델이다.[27] 검멜-푼 모델은 전하 제어 모델[30]로, 종단 기반 모델보다 더 자세하게 트랜지스터 동역학을 설명하기 위해 채택 및 보완되었다.[31] 이 모델은 에버스-몰 모델에서 전류에 무관하다고 가정한 트랜지스터 β 값의 직류 레벨 의존성도 포함한다.[32]

7. 2. 소신호 모델

'x'를 CE, CB, CC 토폴로지에 대해 각각 'e', 'b', 'c'로 바꾼다.]]

BJT 회로를 분석하는 데 일반적으로 사용되는 또 다른 모델은 h-파라미터 모델 또는 하이브리드 등가 모델이며, 하이브리드-파이 모델 및 y-파라미터 2단자 네트워크와 밀접하게 관련되어 있지만, 입력 전압과 출력 전압 대신 입력 전류와 출력 전압을 독립 변수로 사용한다. 이 2단자 네트워크는 회로 동작 분석에 용이하고 더욱 정확한 모델을 개발하는 데 사용될 수 있기 때문에 BJT에 특히 적합하다. 그림과 같이 모델의 'x' 항은 사용된 토폴로지에 따라 다른 BJT 리드를 나타낸다. 공통 이미터 모드의 경우 다양한 기호는 다음과 같은 특정 값을 가진다.

그리고 h-파라미터는 다음과 같이 주어집니다.

h-파라미터는 소문자 첨자를 가지므로 AC 조건 또는 분석을 나타낸다. DC 조건의 경우 대문자로 지정된다. CE 토폴로지의 경우 회로 분석을 더욱 단순화하는 근사 h-파라미터 모델이 일반적으로 사용된다. 이 경우 ''h''oe 및 ''h''re 매개변수는 무시된다(즉, 무한대 및 0으로 설정됨). h-파라미터 모델은 저주파, 소신호 분석에 적합하다. 고주파 분석의 경우 고주파에서 중요한 전극 간 정전 용량을 추가해야 한다.

8. 역사

1947년 12월, 벨 연구소의 존 바딘과 월터 브래튼이 윌리엄 쇼클리의 지휘 아래 최초의 바이폴라 점접촉 트랜지스터[11]를 발명하면서 접합형 트랜지스터의 역사가 시작되었다. 1948년 쇼클리가 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)를 발명하였으며[12], 이는 30년 동안 개별 및 집적 회로 설계에서 가장 많이 사용되는 소자였다. 오늘날 디지털 집적 회로 설계에서는 CMOS 기술이 BJT를 대체하여 사용되고 있지만, CMOS IC에 내재된 성능이 다소 낮은 BJT는 밴드갭 전압 기준, 실리콘 밴드갭 온도 센서 및 정전기 방전 처리에 자주 사용된다.

1950년대와 1960년대에는 게르마늄 트랜지스터가 더 흔했지만, 열 폭주 현상을 보일 가능성이 더 컸다. 게르마늄 p-n 접합은 실리콘보다 순방향 바이어스가 낮기 때문에, 게르마늄 트랜지스터는 더 낮은 전압에서 턴온된다.

다양한 종류의 바이폴라 트랜지스터 제조 방식이 개발되었다.[13]

종류설명개발비고
점접촉 트랜지스터최초로 제작된 트랜지스터 (1947년 12월)벨 연구소높은 비용과 노이즈로 인해 상업적 활용이 제한적
테트로드 점접촉 트랜지스터두 개의 에미터를 가진 점접촉 트랜지스터1950년대 중반에 구식
접합 트랜지스터
접합 성장 트랜지스터최초로 만들어진 바이폴라 접합 트랜지스터.[14] 1948년 6월 23일 발명.[15] 특허는 1948년 6월 26일에 출원.벨 연구소 윌리엄 쇼클리
합금 접합 트랜지스터베이스에 에미터와 콜렉터 합금 비드를 융합1951년 제너럴 일렉트릭과 RCA
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테트로드 트랜지스터두 개의 베이스 접속부를 가진 접합 성장 트랜지스터[18] 또는 합금 접합 트랜지스터[19]의 고속 변형
표면 장벽 트랜지스터고속 금속-장벽 접합 트랜지스터1953년 필코[20][21]
드리프트 필드 트랜지스터고속 바이폴라 접합 트랜지스터1953년 독일 우정청 중앙 통신 기술국 허버트 크뢰머[22][23]
스페이시스터1957년경
확산 트랜지스터현대식 바이폴라 접합 트랜지스터. 1954년 벨 연구소에서 시제품[24] 개발벨 연구소
확산 베이스 트랜지스터확산 트랜지스터의 첫 번째 구현
메사 트랜지스터1957년 텍사스 인스트루먼츠
플래너 트랜지스터대량 생산되는 단일 기판 집적 회로를 가능하게 한 바이폴라 접합 트랜지스터1959년 페어차일드 반도체 장 호에르니[25]
에피택셜 트랜지스터[26]기상 증착을 사용하여 제작된 바이폴라 접합 트랜지스터. 에피택시 참조. 도핑 레벨과 기울기를 매우 정밀하게 제어


9. 취약성

접합형 트랜지스터(BJT)는 방사선에 노출되면 방사선 손상을 입는다. 방사선은 베이스 영역에 결함을 축적시키는데, 이는 재결합 중심 역할을 한다. 이로 인해 소수 캐리어 수명이 감소하여 트랜지스터의 이득이 점차 감소한다.[1]

트랜지스터에는 자체 발열에 의해 제한되는 전력 정격, 최대 컬렉터 및 베이스 전류(연속/직류 정격 및 피크 모두 포함), 내압 정격 등의 "최대 정격"이 있다. 이러한 정격을 초과하면 소자가 고장나거나 적어도 성능이 저하될 수 있다.[1]

전력용 BJT는 소자의 일반적인 내압 정격 외에도 2차 항복이라는 고장 모드의 영향을 받는다. 과도한 전류와 실리콘 다이 내부의 일반적인 불완전성으로 인해 소자 내부의 실리콘 일부가 다른 부분보다 과도하게 가열된다. 다른 반도체와 마찬가지로 도핑된 실리콘의 전기 저항률은 음의 온도 계수를 가지므로, 고온일수록 더 많은 전류를 전도한다. 따라서 다이 중 가장 뜨거운 부분이 가장 많은 전류를 전도하여 전도도가 증가하고, 다시 점점 더 뜨거워져 결국 소자가 내부적으로 고장난다. 2차 항복과 관련된 열 폭주 과정은 일단 시작되면 거의 순간적으로 발생하며 트랜지스터 패키지를 심각하게 손상시킬 수 있다.[1]

에미터-베이스 접합이 역 바이어스되어 애벌랜치 또는 제너 모드로 들어가고 짧은 시간 동안 전하가 흐르면, 에미터가 컬렉터보다 작아 상당한 전력을 소산할 수 없기 때문에 BJT의 전류 이득이 영구적으로 저하될 수 있다. 이는 저전압 소자에서 일반적인 ESD 고장 메커니즘이다.[1]

참조

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[32] 서적 Microelectronic Circuits https://archive.org/[...] Oxford 2004
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[35] 서적 Compact Modeling: Principles, Techniques and Applications Springer Science & Business Media 2010
[36] 서적 Compact Hierarchical Bipolar Transistor Modeling with Hicum World Scientific 2010
[37] 웹사이트 Compact Models for Bipolar Transistors, Berkner http://joerg-berkner[...] 2015-01-16
[38] 웹사이트 IC Temperature Sensors Find the Hot Spots - Application Note http://www.maxim-ic.[...] 2002-02-21
[39] 문서 「2極の」という意味。
[40] 문서 점접촉형 트랜지스터의 신뢰성 문제와 접합형 트랜지스터의 등장
[41] 서적 최신 트랜지스터 규격표 & 호환표 〈2008/2009〉 CQ출판
[42] 문서 ''제2 트랜지스터의 콜렉터-에미터간 포화 전압'' ＜ ''제1 트랜지스터의 콜렉터-에미터간 포화 전압'' ＋ ''제2 트랜지스터의 베이스-에미터간 전압''일 때.


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