• 이 블로그 내용에서는 BJT(Bipolar Junction Transistor)에 관한 내용만 집중해서 다룰 예정.

About Transistor

• Transistor는 일종의 switch, amplifier 등으로 사용
• 실리콘(Si)과 같은 반도체로 만들어짐.

How do they work

• 각 Si 원자는 원자가 전자 4개를 가지고 있으며 주변의 4개의 실리콘 원자와 공유결합을 이룸.

• 현재 상태에서 전자들은 valence band에 존재하다가 순수한 실리콘이 electricity를 conduct할 경우 전자들이 energy를 흡수하고 conduction band로 넘어가게 되며 free electron이 됨. 따라서 순수한 실리콘은 low electrical conductivity를 가지게 됨.
• doping은 intrinsic semiconductor의 conductivity를 향상시키기 위해 의도적으로 impurities 등을 주입하는 것.
• 15족의 원소(대표적으로 P)를 doping하여 free electron을 주요 carrier로 사용하도록 만드는 반도체를 n-type 반도체라고 함. 주요 carrier가 음전하를 띄는 free electron이기 때문에 negative의 n을 따서 사용.
• 13족의 원소(대표적으로 B)를 첨가함으로써 양전하를 띄는 것처럼 보이는 hole(양공)을 주요 carrier로 사용하도록 만드는 반도체를 p-type 반도체라고 함.

Diode

• 전류를 한 방향으로만 흐르도록 하는 성질을 가진 반도체 소자
• PN junction 통해 만드는 가장 간단한 반도체 소자

• n-type 반도체는 electron의 농도가 높고 hole의 농도가 낮은 반면, p-type 반도체는 electron의 농도가 낮고 hole의 농도가 높아, electron은 n-type에서 p-type으로 hole은 p-type에서 n-type으로 확산됨.
• 위와 같이 이동하다 보면 각 반도체에 carrier가 남아있지 않은 상태가 발생하게 되는데 그 영역을 depletion region 또는 space charge region(SCR)이라고 부름.
• depletion region에는 남아있는 공간전하의 영향으로 electric field가 형성됨.

Forward Bias

• p-type 반도체 쪽에서는 (+)의 영향으로 hole이 밀려나게 되고, n-type 반도체 쪽에서는 반대로 electron을 밀어냄.
• 따라서, p-type semiconductor의 hole과 n-type semiconductor의 electron이 PN접합부로 모이게 되면서 depletion region이 좁아지고 이로 인해 전위장벽이 작아지면서 전기저항이 줄어들어 전류가 흐르게 됨.

Reverse Bias

• p-type semiconductor의 hole과 n-type semiconductor의 electron이 PN접합부로부터 멀어지며 depletion region이 넓어지고 Forward bias 때와는 반대로 전류가 흐르기 힘들어짐.

NPN and PNP

• PNP transistor는 두 개의 p-type semiconductor junctions 사이에 n-doped region이 존재하고, 반대로 NPN transistor는 두 개의 n-type semiconductor junctions 사이에 p-doped region이 존재함.

• NPN transistor와 PNP transistor의 가장 큰 차이는 NPN transistor는 base에 positive supply가 연결되었을 때 current가 collector에서 emitter로 흐름.

• PNP transistor는 base에 negative supply가 연결되었을 때 charge carrier가 emitter에서 collector 쪽으로 흐름.

Parameter	NPN	PNP
Direction of current	collector to emitter	emitter to collector
Majority carriers	electrons	holes
Minority carriers	holes	electrons
Turn on instance	when electrons enter into the base	when holes enter the base
Turn off instance	switches off by applying a low base voltage	switches off by applying a positive base voltage

Transistor as a switch

• 회로에서 스위치가 열려 있고 베이스에 전류가 흐르지 않으면 모든 전류계에 전류가 흐르지 않음.
• 스위치를 닫아 베이스에 전류가 흐르면 모든 전류계에 전류가 흐르게 됨.
• 이러한 성질을 이용하여 회로에서 전류가 흐를 때 1, 흐르지 않을 때 0이라 하여 스위치처럼 이용 가능.

Transistor as a amplifier

$I_{C} = \beta I_{B}$

• collector에는 base에서 흐르는 전류보다 매우 센 전류가 흐르게 됨.
• 위의 $\beta$ 는 전류 증폭률
• 위와 같이 base에서의 작은 전류 변화가 collector에는 큰 변화로 나타나는 현상을 증폭 작용이라 함.

References:
1) https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B7%9C%EC%86%8C
2) https://m.blog.naver.com/dlwnsqud123/222028910845
3) https://m.blog.naver.com/PostView.naver?blogId=dlwnsqud123&logNo=222030113400&targetKeyword=&targetRecommendationCode=1
4) https://www.wevolver.com/article/npn-vs-pnp-bjt-transistor-understanding-the-basics
5) https://news.samsungdisplay.com/23538/