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여러 가지 동작 조건에서 쌍극성 접합 트랜지스터에 관련된 전압과 전류 사이의 관계가 트랜지스터의 성능을 결정한다. 이러한 관계를 총체적으로 트랜지스터의 특성곡선이라고 한다.
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BJT 트랜지스터 자체의 특성을 보여주는 정특성( static characteristics )을 이해하는 것은 좀 까다로운 면이 있습니다. 특히 포화영역은 대칭적으로 FET와 흡사하지만, 왜 포화영역이 다른지는 설명한 곳을 찾기 어렵습니다. 그래프적으로 이를 해제( 解題 )해 봅니다. 활성영역( actice region ), 포화영역 ( saturation region ), 차단영역 ( cu-off region )의 바이어스를 걸었을 때의 동작을 살펴보고, 그래프로 어떻게 영역을 차지하는지 분석해 보겠습니다. 정특성 그래프로 증폭이 어떻게 이루어 지는지 그 메카니즘을 요약적으로 연계해서 설명합니다.
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전자회로실험 5. BJT 컬렉터 특성곡선, 트랜지스터 전자 스위치
트랜지스터에 IB를 매개변수로 하여 IC및 VCE와의 상관관계를 실험적으로 측정하여 컬렉터 특성곡선군을 결정하고, 트랜지스터의 스위칭 작용에 …
Source: blog.naver.com
Date Published: 12/18/2021
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[전자] BJT 컬렉터 특성곡선
컬렉터 특성 곡선은 베이스의 전류별로 컬렉터-이미터 전압의 변화에 따른 컬렉터 전류 변화를 나타낸다. · 포화영역은 베이스-이미터 접합은 순방향이고 …
Source: electric-lab.tistory.com
Date Published: 1/6/2021
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트랜지스터의 특성 – Ayoujin
컬렉터 특성 곡선. 위의 회로에서 V(BB)를 고정시킨다. 그리고 V(CC)를 증가시키면서 V(CE)의 변화에따른 I(C)의 변화를 살펴보면 다음과 같다.
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Date Published: 6/11/2021
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Ch. 4 Ch. 4 Bipolar Junction T i (BJT) Transistor (BJT)
Yun SeopYu. 트랜지스터 특성과 파라미터. Collector 특성 곡선. I. C. -V. CE. 그래프(일정한 I. B. 에 대하여). 포화 영역(saturation).
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Date Published: 7/29/2022
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[전기전자공학 실험] 트랜지스터 기초실험 : 예비보고서
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【회로이론】 8강. 트랜지스터 – 정빈이의 공부방
⑺ 트랜지스터의 전류-전압 특성 곡선 : 컬렉터의 전류-전압 특성 곡선 … BJT 트랜지스터가 I B로 제어된다는 말은 특성곡선이 I B를 고정한 상태 …
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Date Published: 11/5/2022
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트랜지스터 특성 곡선 – 레포트월드
트랜지스터 특성 곡선 트랜지스터의 기본동작. 트랜지스터의 기본동작은 pnp 트랜지스터를 사용하여 설명하기로 한다. npn 트랜지스터의 동작은 전공.
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Date Published: 5/2/2021
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주제에 대한 기사 평가 트랜지스터 특성 곡선
- Author: SSM 전기전자 강의
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- Date Published: 2020. 2. 26.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=aJxaTwz7-Cs
제8장 쌍극성 접합 트랜지스터(BJT) 특성
## 쌍극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor)
▶ 바이폴라 접합 트랜지스터란? 바이폴라 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)는 쌍극인 (+), (-) 전하를 모두 이용하는 반도체로, 반도체 3개를 붙여서 만든 “전류 증폭” 소자이다. 일반적으로 트랜지스터라고 부르는 것들은 대부분이 BJT를 가리키는 것이지만, 트랜지스터는 PET도 있고 MOSPET도 있다. BJT는 PNP형과 NPN형으로 나뉜다. 이 둘의 작동원리는 방향만 거꾸로 해주면 된다. ① npn 트랜지스터
NPN형 BJT는 아주 좁은 P형 반도체의 양쪽에 N형 반도체 두 개를 붙여서 만든다. 다리 3개에 이름을 붙여주는데, 중간에 있는 P형 반도체 다리를 베이스(Base, B), 양쪽에 있는 N형 반도체 다리중에서 전류를 끌어오는 쪽을 컬렉터(Collector, C), 뱉어내는 쪽은 이미터(Emitter, E)라고 한다. NPN형 BJT를 올바르게 동작시키는 방법은 BE에 순방향 바이어스 전압을, BC에 역방향 바이어스 전압을 걸어주는 것이다. 먼저 BE에 순방향 전압을 걸어주면, PN접합이 순방향으로 바이어스 된 것과 같아 다이오드와 비슷하게 작동한다. 그러다가 BC에 역방향 바이어스 전압을 걸어주면, 전자의 일부만 베이스로 나가게 되고 나머지 아이들은 더 높은 전압이 걸린 컬렉터로 끌려간다. 그러나 BC에 전압이 걸리지 않으면 전자들이 PN접합을 뛰어 넘을 에너지가 없어서 전류가 R의 흐르지 않는다. 따라서 베이스에 전압을 걸어서 전류를 흘러줘야만 컬렉터로 전류가 흐르게 되고, 증폭하게 된다.
▶ 바이폴라 접합 트랜지스터의 특성
= 용어 정리
– VBE 베이스와 이미터의 전압
– VCE 베이스와 콜렉터 전압
– IE 에미터 전류
순방향 바이어스로 인해 발생한 전류로 Emitter에서 Base쪽으로 이동한 전자들과 Base에서 Emitter쪽으로 이동한 Hole들이 이루는 전류이다. 단, Hole이 이루는 전류는 전자가 이루는 전류에 비해 작으므로 무시 할 수 있다.
– IB 베이스 전류
Emitter에서 온 전자들이 Base의 Hole과 만나서 이루는 전류이며 Base부분이 얇을수록 매우 작아진다. (전선이 얇으면 저항이 강해져 전류가 약해지는 원리와 같은 원리이다.)
– IC 콜레터 전류
Emitter에서 온 전자들이 Base를 지나쳐, Collector-Base의 전자장에 끌려 Collector까지 넘어온 전류이다. 급격하게 넘어가므로 매우 큰 전류 값을 가진다.
= BJT는 다이오드와 다르게 굉장히 복잡하며, 여러 가지 알아둬야 할 특징과 수치들이 있다.
BJT의 베이스에 어떤 전류를 흘려 주고, 컬렉터에 걸어주는 전원을 점점 늘려보자. 결론부터 말하면 아래와 같은 특성을 보이게 된다.
① 차단영역(Cutpff Region)
: 베이스에 전류가 흐르지 않으면, 이론적으로 컬렉터 전류가 흐르지 않지만, 실제로는 약간 흐른다. 여하튼 베이스에 전압을 걸어주지 않은 상태를 차단여역이라고한다.
② 포화영역 (Saturation Region)
: B-E에 순방향 전압을 걸어주면 VBE는 다이오드와 같이 약0.7V가 걸린다. Vcc를 0부터 증가시키면 VCE도 증가하고, 처음에는 B-C에 순방향 전압이 걸린다. 이때는 B-C가 별다른 저항을 하지 않으므로 컬렉터로 끌려가는 전자들이 순조롭게 늘어난다. 이 영역을 포화영역이라 하고, VCE와 함께 컬렉터 전류 Ic가 증가하게 된다. 포화영역은 VCE가 포화전압VCE(sat)이 될 때까지 나타난다.
③ 활성영역 (Active Region)
: VCE가 VCE(sat)보다 커지면 B-C에는 역방향 전압이 걸린다. 이때부터 다이오드가 그랬던 것처럼 전류가 거의 일정하게 유지된다. VCE가 증각하며서 조금씩 커지긴 하지만 거의 일정하다고 봐도 된다. 이영역을 활성영역이라 하고, 일반적으로 BJT를 작동시키는 곳이다.
④ 항복영역 (Breakdown Region)
: B-C는 PN접합이므로, 역방향 전압이 너무 커지면 다이오드처럼 에벌랜치 항복이 발생하고 고장난다. 때문에 모든 BJT의 데이터시트에는 컬렉터 베이스 항복전압 V(BR)CEO를 적어둔다. 이 영역을 항복영역이라고 한다.
▶ α증폭률과 β증폭률
바이폴라 접합 트랜지스터가 활성 영역에서 작동할 때 Ic는 IB에 증폭률을 곱한 만큼 흐른다. 증폭률은 상황에 따라 달라진다. 이때 증폭률을 크게 2가지로 정의한다. α증폭률은 이미터 전류와 컬렉터 전류의 비(Ic/IE)이며 0~1 사이의 값을 가진다. 반면 β증폭률은 베이스 전류와 컬렉터 전류의 비(Ic/IB)이며 보통 50이상으로 가진다. 회로나 상황에 따라서 α를 쓸 때가 있고, β를 쓸때가 있다. 증폭률은 다음과 같은 관계를 가진다.
IE = Ic + IB
IE/Ic = 1+ IB/Ic
1/α = 1 + 1/β
또 증폭률은 직류와 교류에 따라서도 다르며, 온도나 흐르고 있는 전류에 따라서도 계속 변한다. 그러나 계산할 때는 한 값으로 고정해두고 나중에 적당히 미세 조정 등을 한다.
데이터 시트에선 hFE라고 쓰기도 한다.
전자회로실험 5. BJT 컬렉터 특성곡선, 트랜지스터 전자 스위치
전자회로실험 전자회로실험 5. BJT 컬렉터 특성곡선, 트랜지스터 전자 스위치 머구 ・ URL 복사 본문 기타 기능 공유하기 신고하기 1. 실험개요 트랜지스터에 IB를 매개변수로 하여 IC및 VCE와의 상관관계를 실험적으로 측정하여 컬렉터 특성곡선군을 결정하고, 트랜지스터의 스위칭 작용에 대하여 이해한다. 2. 실험원리 컬렉터 특성과 트랜지스터 스위치 -(1) 컬렉터 특성곡선 컬렉터 특성곡선은 그림 5-1의 회로에서 베이스 전류 IB를 매개변수로 하여 컬렉터 전류 IC와 컬렉터-에미터 양단전압 VCE와의 상관관계를 정량적으로 나타낸 것으로 트랜지스터의 동작영역을 구분하는데 중요한 지표로 이용된다. 여러 가지 베이스 전류값을 기준으로 하여 IC와 VCE와의 그래프를 그리게 되면 그림 5-2와 같은 컬렉터 특성곡선군이 얻어진다. 그림 5-2의 각 동작점 구간에서 VCE의 변화에 따라 IC가 어떠한 양상으로 변화하는지를 살펴보고 그에 따른 트랜지스터의 3가지 동작영역을 결정한다. 1) 동작점 A 그림 5-1에서 VCC=0으로 놓고 VBB를 적당한 값으로 설정하면 이때 베이스 루프 내에는 전류 IB1이 흐른다. 다음 그림 5-3에 나탄 것처럼 베이스-컬렉터 접합면 JBC와 베이스-에미터 접합면 JBE는 각각 순방향으로 바이어스 되어 베이스단에 대략 0.7V의 전압이 나타나게 된다. 2) 동작구간 A-B 동작점 A 상태에서 VBB는 고정된 값으로 놓고(즉 IB=IB1으로 고정) VCC값을 0에서 대략 0.7V 정도까지 점차로 증가시키면 컬렉터 전류도 VCC값의 증가에 비례하여 점점 증가한다. 이때 VC는 0.7V보다 작은 상태를 유지하므로 JBC는 여전히 순방향 바이어스 상태임에 주의하라. 결국 동작구간 A-B 사이에서는 JBC와 JBE가 각각 순방향 바이어스 상태를 유지하기 때문에 VCC의 증가(즉VCE의 증가)에 따라 컬렉터 전류도 증가하는 양상을 보이게 된다. 이때 트랜지스터가 포화영역(Saturation Region)에서 동작한다고 정의한다. 트랜지스터가 포화되면 IB가 증가하더라도 IC는 더 이상 증가하지 못하고 IC=BDC*IB의 관계도 성립하지 않는다. 3) 동작구간 B-C 만일 VCC를 계속 증가시켜 0.7V보다 더 큰 전압이 VCE에 나타나다고 하면 베이스 단자전압 VB는 대략 0.7V를 유지하고 있으므로 JBC는 더 이상 순방향으로 바이어스 되지 못하고 역방향 바이어스 상태에 있게 된다. 따라서 VCC가 계속 증가(즉 VCE가 계속 증가)하더라도 컬렉터 전류는 더 이상 증가하지 못하고 거의 일정한 값을 유지하게 되므로 베이스 전류와 컬렉터 전류 사이에는 IC=BDC*IB의 관계가 성립한다. 위에서 언급된 바와 같이 JBE는 순방향 바이어스, JBC는 역방향 바이어스 상태로 되어 컬렉터 전류가 거의 일정한 상태로 유지되는 영역을 활성영역(Action Region)이라 정의한다. 4) 동작점 C 이후 VCC가 계속 증가(즉 VCE가 계속 증가)하여 JBC가 과도하게 역방향으로 바이어스 되면 항복(Breakdown)현상이 일어나 과도한 역방향 전류가 순간적으로 흘러 트랜지스터 소자를 파괴하게 된다. 이때를 항복영역(Breakdown Region)이라 정의하며 이 영역에서 트랜지스터를 동작시키게 되면 소자가 파괴되므로 VCE(max)값을 넘지 않는 범위에서 트랜지스터를 사용해야 한다. 5) 차단영역(Cutoff Region) VBB를 0으로 하여 베이스 전류 IB를 0으로 고정시킨 후 VCC를 계속 증가시키면 JBE와 JBC가 모두 역방향으로 바이어스 되어 있기 때문에 컬렉터 전류는 약간의 누설전류 외에는 거의 흐르지 않게 된다. 컬렉터 전류의 크기가 거의 0이 될 때 트랜지스터는 차단 영역에서 동작한다고 정의한다. 한편, 컬렉터 특성곡선에 직류부하선(DC Load Line)의 개념을 이용하여 차단과 포화를 설명하면 다음과 같다. 그림 5-1의 컬렉터 루프에 대하여 키르히호프 전압법칙을 적용하면 IC*RC+VCE-VCC (5.1) 이된다. 식 (5.1)은 기울기가 -1/RC, IC축 절편이 VCC/RC그리고 VCE축 절편이 VCC인 일차직선의 방정식이므로 이를 컬렉터 특성곡선 위에 함께 도시하면 그림 5-4와 같다. 식(5.1)을 직류 부하선이라 부르며, 부하선 맨 아래는 IC=0, VCE=VCC이므로 차단점이 되고, 부하선의 맨 위는 IC=IC(sat), VCE=VCE(sat)인포화점이 된다. 그림 5-4에서 한 가지 주의할 것은 베이스 전류의 증가는 트랜지스터가 포화상태가 될 가능성을 높여준다는 사실이다. 예를 들어 점 A는 IB=IBB에 대해서는 활성역역에 위치하지만, IB를 점점 증가시켜 IB=IB6가 되면 트랜지스터는 포화상태가 된다. 이렇게 되면 IB를 계속 증가시켜도 컬렉터 전류 IC는 더 이상 증가되지 않는다. -(2) 트랜지스터 스위치 트랜지스터의 주된 응용은 활성역역에서 동작하도록 바이어스를 걸어 교류신호를 증폭하는 것이지만, 트랜지스터를 포화영역과 차단영역에서 교대로 동작하도록 바이어스를 걸어주면 전자 스위치(Electronic Switch)로 사용할 수 있다. 1) 개방 스위치(Open Switch) 그림 5-5에서처럼 VBB를 0으로 만들면 IB=0이므로 컬렉터 전류 IC=0이 되어 트랜지스터는 차단(Cutoff) 상태에 있게 된다. 따라서 컬렉터 전류는 거의 흐르지 않기 때문에 트랜지스터는 개방된 스위치로서 동작된다. 이 때 컬렉터 단자전압 VC는 저항 RC에 전류가 흐르지 않기 때문에 외부 전압 VCC와 같은 값을 가진다. 2) 단락 스위치(Closed Switch) 그림 5-6에서처럼 충분히 큰 베이스 전류 IB가 흐르도록 VBB를 인가하게 되면 트랜지스터는 포화(Saturation) 상태에 있게 된다. 따라서 컬렉터 루프에는 컬렉터 포화전류 IC(sat)가 흐르기 때문에 트랜지스터는 단락 스위치로 동작된다. 이때 컬랙터와 에미터 양단에 나타나는 포화전압 VCE(sat)=VCC-IC(sat)에서 IC(sat)가 충분히 큰 값이므로 VCE(sat)은 거의 0이 된다. 또한 트랜지스터가 포화되었을 때 컬렉터에 흐르는 포화전류 IC(sat)는 다음과 같이 결정 된다. 따라서 트랜지스터를 포화시키는데 필요한 베이스전류 이며, 트랜지스터가 충분히 포화되기 위해서는 IB가 IB(min)보다 훨씬 커야 한다. 3. 실험방법 1) 컬렉터 특성곡선 실험 (1) 그림 5-11과 같은 회로를 브레드 보드에 결선한다. (2) IB가 100μA가 되도록 베이스 인가전압 VBB를 조정한 다음, 컬렉터 인가전압 VCC를 변화시키면서 VC(=VCE)와 IC를 측정한다. (3) IB를 100μA간격으로 증가시키면서 단계 (2)의 과정을 반복하여 표 5-1을 완성한다. (4) 표 5-1의 결과표를 이용하여 VCE와 IC의 그래프를 VB를 매개변수로 하여 그린다. 2) 트랜지스터 스위치 응용 실험 (1) 그림 5-12와 같은 회로를 브레드 보드에 결선한다. (2) 크기가 6V인 구형파 펄스 Vin을 신호발생기로부터 발생시켜 회로에 인가한다. (3) 컬렉터 전압 파형을 측정하여 그래프로 도시한다. *여기서 잠깐 – 트랜지스터의 동작영역 구분 : 트랜지스터의 컬렉터 특성으로부터 트랜지스터의 동자경역을 구분하며. 항복영역은 트랜지스터가 파괴되어 더 이상 기능을 할 수 없는 상태이므로 사용해서는 안 되는 영역이므로 정상적으로 동작시키는 영역은 3가지이다. 포화영역 활성영역 차단영역 항복영역 JBE 순방향 순방향 역방향 순방향 JBC 순방향 역방향 역방향 역방향 항복 응용 스위치 증폭기 스위치 사용 금지 *용어정리 – BJT 트랜지스터 : 이미터, 컬렉터, 베이스로 구성되어 있으며, 전자와 정공 두 캐리어를 이용하여 증폭, 스위칭 등의 작용을 하는 통상의 트랜지스터. [출처-네이버 지식백과] 결과 1. 실험결과 1) 컬렉터 특성곡선 결과표 IB=100μA IB=200μA IB=300μA IB=400μA VCE IC[mA] VCE IC[mA] VCE IC[mA] VCE IC[mA] 0V 0 μA 0V 0 μA 0V 0 μA 0V 0 μA 0.5V 3.89 0.5V 4.12 0.5V 17.4 0.5V 21.7 0.7V 15.8 0.7V 29.4 0.7V 31.7 0.7V 32.7 1V 15.9 1V 31.5 1V 38.7 1V 47.4 2V 16.1 2V 32.2 2V 46.2 2V 66.2 4V 16.6 4V 33.6 4V 49.4 4V 70.3 6V 17.3 6V 35.7 6V 53.3 6V 75.6 8V 17.8 8V 37.6 8V 62.1 8V 81.4 2) 컬렉터 특성곡선 실험결과 그래프 3) 컬렉터전압 파형 4) 정전압 작용이 일어나는 저항 범위 찾기 RL 4 ohm 53 ohm 1.42 kohm 5.3 kohm 9.5 kohm VL 0.1V 1V 4.82V 4.87V 4.87V VL은 증가하다가 약 1.42kohm이후부터는 저항이 증가하더라도 전압이 약 4.8V로 유지되는 것을 볼 수 있다. 따라서 정전압 작용이 일어나는 저항범위는 약 1.42kohm근방이다. 2. 결과분석 A) 부하저항이 가변인 경우 제너 다이오드가 전압조정기로서 동작하기 위한 조건을 실험결과를 참고하여 설명하라. -> 제너 다이오드와 저항을 병렬로 연결하면 제너 다이오드와 부하저항에 같은 전압이 걸리게 된다. 하지만 제노 다이오드가 항복전압에 이르기 전까지는 저항의 크기가 크다면 저항의 전압이 곧 제노 다이오드와 저항의 전압으로 측정이 되지만 만일 제노 다이오드가 항복전압의 이상의 전압이 인가가 된다면 제노 다이오드 특성의 의해 일정한 전압을 유지시켜주려는 성질을 같기 때문에 전압 조정기로써의 동작을 할 수가 있는 것이다. B) 그림 4-16의 회로에서 제너 정전압 작용이 유지되기 위한 부하저항 RL의 최소값과 최댓값을 이론적으로 계산하라. -> RL = ∞ 일 때, IL = 0 ⇒ ∴ Iz = IT (최대) ∴ Iz(max) = IT = (VIN-VZ)/R = 25.5㎃ Iz(max)=25.5㎃ < IZM=50㎃ 이므로, VZ(max) < VZM ⇒ ∴ 정전압을 유지한다. ⇒ ∴ IL(min) = 0A ii) Iz가 최소일 때에 (Iz = IzK), IL = IT - IZ에 의해 IL은 최대이다. ∴ IL(max) = IT - IzK = 25.5㎃ - 1㎃ = 24.5㎃ iii) RL(min) = VZ/IL(max) = 12V/24.5㎃ = 490Ω * if RL<490Ω, IL>IL(max)가 되어 Iz
규격표에 표시된 2N3904의 특성곡선은 포화영역에서 비슷한 기울기로 증가를한다. 실제 실험에서 얻은 VCE-IC특성 곡선은 포화영역에서 증가를 하긴 하지만 각기 다른 기울기를 가지고 증가한다. 2) 트랜지스터를 보통 전류제어소자라 하는데 실험을 통해 이유를 설명하라. -> 베이스단에 작은 전류를 흘리면 큰 컬렉터 전류를 흘릴 수 있기 때문이다. 3) Unipolar 소자와 Bipolar 소자의 차이점에 대해 설명하라. -> Bipolar 트랜지스터의 경우 +q와 –q 두가지의 극을 가지고 있고 Unipolar 트랜지스터의 경우 하나의 극성만 가지고 있다. 4) 트랜지스터 스위치가 실제로 디지털 논리회로에서 응용되는 예를 하나 기술하라. -> Transistor-Transitor Logic 일명 TTL 에 응용된다. 5) 실험 결론 및 고찰 이번 실험은 IC와 VCE의 관계를 측정하여 컬렉터 특성곡선군을 확인하고 트랜지스터 스위칭 작용에 대해서 보는 실험과 제너 정전압작용이 일어나는 저항 범위를 찾는 실험 이었다. 우선 지난주에 못 했던 정전압 작용이 일어나는 저항 범위를 찾는 실험에 대해서 보면 가변저항을 조절하면서 전압을 측정해 보면 어느 순간까지 전압이 올라가다가 거의 일정한 전압이 유지되는 곳이 있었다. 그 부분이 대략 1.42kohm이었다. 실제 이 실험에 대한 시물레이션 결과는 2.5kohm≤RL≤4.5kohm이다. 하지만 실제 실험은 1.42kohm부터 가변저항의 최댓값인 9.2kohm까지 거의 일정하게 유지되었다. 가변저항을 손으로 돌리다보니 저항을 맞춰놓고 그 저항값을 측정하는 도중 저항값이 변했을 수도 있고 저항값을 측정할 때 이용한 점프선의 저항 때문에 오차가 생긴 것 같다. 오차가 발생하였지만 일정 지점 이후부터 부하의 변화에도 불구하고 일정한 직류전압을 공급할 수 있도록 하는 제너 다이오드의 정전압 작용을 확인 할 수 있었다. 다음으로 컬렉터 특성곡선 실험을 하였다. IB를 조정하면서 IC와 VCE와의 관계를 특성곡선을 그려 확인하는 실험 이었다. 실험결과는 이론적인 곡선과는 비슷하지만 정확하게 같지는 않았다. 이론적인 곡선은 IB가 증가하더라도 IC의 기울기는 거의 비슷하게 나온다. 하지만 실제 실험에서는 IB가 증가할 때에 IC의 기울기도 증가하는 결과가 나왔다. 이렇게 나온 이유를 생각해 보니, 먼저 IB를 조절하고 회로를 약간 바꾼 다음에 IC를 측정했기 때문이다. IC를 측정하기 위해 회로를 바꾸는 과정에서 변화가 일어났을 수 있기 때문이다. 또한 멀티미터와 파워 서플라이의 값을 정확하게 소수점 단위까지 맞추기가 힘들기 때문에 이러한 오차가 생긴 것 같다. 하지만 포화영역과 활성영역의 경계가 VCE가 약 0.7V이라는 것을 확인할 수 있었고, 포화영역에서 가파르게 증가하다가 활성영역에서는 그 정도가 줄어든 것을 확인할 수 있었다.마지막으로 트랜지스터 스위치 응용 실험을 하였다. 트랜지스터의 응용 중 하나가 스위치작용이다. 베이스 쪽 전압 VBB를 0으로 만들면 IC는 0이되어 차단 상태에 있게 되고, 개방된 스위치로서 동작한다. VBB가 0이 IC가 흐르게 되어 포화 상태에 있게 되고, 단락 스위치로 동작한다. 실제 실험은 6V의 크기를 가진 구형파 펄스를 입력해 주었기 때문에 단락 스위치로 동작하고, 다이오드 턴온 전압보다 높은 전압을 인가하여 그 결과 LED에 불이 들어오는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 오실로스코프를 이용해 컬렉터 전압의 파형을 측정해 보니 이론과 비슷한 파형이 출력되었고, 첨두치 값을 비교해 보았을 때 증폭이 되었으며, 스위치 작용도 한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 트랜지스터의 특징인 증폭과, 스위치 작용을 확인할 수 있었다. 3. 실험 이해도 측정 및 평가-푼것만 확인 1) 선형 증폭기로 사용되는 트랜지스터에 접합 JBE와 JBC의 바이어스 조건은 무엇인가? -> JBE순방향 JCE역방향 (순방향-역방향) 2) 증폭기로 동작하기 위해 npn 트랜지스터의 베이스는 어떻게 바이어스 되어야 하는가? -> 에미터에 대한 양(+) 으로 바이어스 되어야 한다. 3) 일단 포화된 상태에서 베이스 전류를 증가시키면 어떻게 되는가? -> 컬렉터 전류에 영향이 없다. 4) 트랜지스터 바이어스 회로에서 베이스와 에미터 접합이 개방되면 컬렉터 전압은 얼마인가? -> VCC 5) 컬렉터 특성곡선에서 VCE의 증가에도 불구하고 IC가 일정하게 유지되는 영역은? -> 활성역역 6) 트랜지스터가 포화되기 위해 베이스-컬렉터 접합 JBC와 베이스 에미터 접합 JBE의 바이어스는? -> JBC: 순방향 JBE: 순방향 7) 차단영역과 포화영역에서 트랜지스터는 무엇처럼 동작하는가? -> 스위치 주관식 1) 그림 5-13 회로에서 VCE, VBE 그리고 VCB를 구하라. 인쇄
전자 쟁이의 이런 저런 지식 세상
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* 출처 : 한국기술교육대학교 온라인평생교육원 전자회로 I
BJT는 컬렉터 특성 곡선이 매우 중요하다. 이 컬렉터 특성 곡선에서 3가지의 영역으로 나뉘는데 이 세가지 특성에 대해 알아보고자 한다.
컬렉터 특성 곡선은 베이스의 전류별로 컬렉터-이미터 전압의 변화에 따른 컬렉터 전류 변화를 나타낸다. 실제 BJT는 컬렉터 전류를 제어하는 것이 목적이므로 컬렉터 전류의 변화가 매우 중요하다.
Vbb를 일정한 값으로 고정시킨 다음 Vcc를 증가시키면서 컬렉터 곡선을 얻을 수 있다.
1. 포화영역
포화영역은 베이스-이미터 접합은 순방향이고 베이스-컬렉터 접합 또한 순방향인 상태로 Vcc를 점차 증가시켜 Ic가 증가 되는 만큼 증가를 한다. 포화영역은 베이스-컬렉터 전압이 역방향이 될 때인 0.7V가 될 때까지 계속 된다.
2. 활성영역
활성영역은 베이스-컬렉터 접합은 역방향, 베이스 컬렉터 접합은 순방향으로 바이어스가 되면서 Ic는 증가하지 않는 영역이다. 즉 이 영역의 Ic는 Vce에서 전압을 올려도 거의 증가하지 않고 베이스 전류에 따라서 Ic 전류가 조절되게 된다. 우리가 증폭기로 사용하는 부분이 바로 이 영역이다. Ib에 따라 Ic가 직류 전류 이득만큼 비율로 조절된다.
3. 항복영역
항복영역은 베이스-컬렉터 접합이 항복전압을 넘어서는 영역이다. 이 영역에서는 컬렉터 전류가 급격히 증가하기 때문에 파괴가 될 수도 있다.
4. 직류 부하선
트랜지스터 증폭기 동작을 설명하는데 있어 부하선이라는 특성 곡선을 이용한다. 부하선은 컬렉터 전류 Ic가 흐르지 않는Vce 상의 차단점 Vcc에서 Ic가 더 이상 증가하지 않는 포화점까지를 직선으로 연결한 선이다.
이 부하선은 한 번 결정되면 트랜지스터는 이 직선을 따라 동작한다. 따라서 Ic의 어느 값에 해당하는 Vce는 이 직선상에 있다. 부하선은 컬렉터 회로 저항과 Vcc에 의해 결정되며 트랜지스터 자체에 의해서 결정되는 것은 아니다.
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[전기전자공학 실험] 트랜지스터 기초실험 : 예비보고서
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개요
쌍극성 트랜지스터의 기본적인 동작원리를 익히고 트랜지스터 회로에서 부하선과 동작점의 개념을 익힌다. 또한 트랜지스터의 특성 곡선을 실험적으로 확인한다.
관련 이론
트랜지스터
N형 반도체와 P형 반도체를 npn 혹은 pnp의 격층 구조로 조합한 소자. 세 개의 단자를 가지고 있으며 각각 콜렉터(collector), 에미터(emitter), 베이스(base)라 부른다.
트랜지스터 기호 및 소자
– 주단자: 컬렉터, 에미터
– 트랜지스터의 전류: 콜렉터에서 에미터로 소자를 관통하여 흐르는 전류 I C 를 말함(pnp형의 경우 반대 방향)
– 트랜지스터 소자 양단 전압:: 컬렉터와 에미터 사이에 걸리는 전압 V CE
– 트랜지스터의 특성: I C , V CE 두 변수 사이의 전압-전류 간- 관계를 의미
– 베이스 단자: 전압-전류 특성을 베이스에 전류를 주입함으로써 변화시켜 줄 수 있다. 그림 2처럼 베이스와 에미터 사이에 전류 I B 를 흘려주어 그 전류의 양으로 특성 곡선을 변화시킨다. 따라서 트랜지스터의 동작을 사용자가 제어하기 위해 사용하는 제어 단자라 할 수 있다.
트랜지스터 특성 곡선
베이스 전류가 0일 때는 컬렉터와 에미터 사이의 임피던스가 매우 커서 사실상 개방되어 있는 것과 마찬가지이며, 이 상태를 트랜지스터가 차단 상태(cutoff)에 있다고 한다. 이 경우 특성 곡선은 그림 3의 A 곡선과 같이 나타난다. 즉 트랜지스터에 전압이 인가되어도 전류가 거의 흐르지 않는다.
그러나 베이스에 전류를 주입하면 특성 곡선이 변화해서 그림 3의 B 곡선과 같은 특성을 나타낸다. 곡선을 보면 전압 증가에 따라 전류가 상승하지만 일정한 크기에 머물러 있게 되며, 이 상태는 전압이 트랜지스터가 견딜 수 있는 한계에 도달할 때까지 지속된다.
베이스 전류를 2배로 하면 특성 곡선이 전체적으로 같은 비율로 증가하여 C 곡선과 같이 된다. 즉 컬렉터 전류가 머물러 있게 되는 전류값도 상승하여 2배가 된다.
이를 통해서 트랜지스터에 흐르는 전류에 주된 영향을 미치는 것은 베이스 전류라는 것을 알 수 있다. 베이스 전류를 어떤 값으로 주고 있을 때 컬렉터 전류는 전압이 아주 낮은 값이 아닌 이상 거의 전 영역에 걸쳐 항상 일정한 전류값을 유지한다. 이 전류값은 베이스 전류의 크기에 비례한다.
베이스 전류 , 컬렉터 전류 간의 비례 관계식
β dc 는 직류 전류 증폭률(dc current gain)이라는 비례 상수로 트랜지스터 모델마다 고유한 값을 갖는다.(보통 h FE 기호를 많이 씀) 일반적인 소신호 트랜지스터에서 온도 변화에 따른 βdc의 범위는 대략 30~300 정도이다.
에미터 공통 회로와 부하선
트랜지스터 특성 곡선과 부하선
그림 4는 기본적인 에미터 공통 회로(common-emitter circuit)이다. 이 회로는 베이스 전류를 가하기 위한 V BB -R B -베이스-에미터로 구성되는 구동회로와 오른편의 V CC -R C -컬렉터-에미터로 구성되는 주회로로 이루어져 있다.
주회로에서 트랜지스터를 제외한 나머지 부분(V CC , R C )의 전압-전류 특성은- 그림 5의 직선처럼 나타내며 이를 부하선(load line)이라 한다.
부하선과 트랜지스터의 특성 곡선이 만나는 점이 회로의 동작점인데, 베이스 전류가 0일 때 동작점이 A점이 되고 베이스 전류를 증가시킴에 따라 동작점은 B, C, D 등으로 이동한다.
A점은 트랜지스터가 개방되어 차단 상태이므로 전류 I C 는 거의 0에 가깝고 전원 전압 V CC 가 트랜지스터 양단에 그대로 나타난다.
베이스 전류가 증가하여 동작점이 이동하는 과정에서 I C 는 베이스 전류에 비례하여 증가한다.
동작점이 E 지점에 이르면 베이스 전류를 증가시켜도 동작점이 더 이상 이동하지 않고 F 지점에 고정된다. 즉 I B 가 증가하여도 I C 는 더 이상 증가하지 않는다. 이를 트랜지스터가 포화상태(saturation)가 되었다고 한다. 포화상태에서 트랜지스터는 단락 된 스위치와 같고 트랜지스터 양단 전압은 0에 가까운 값이 된다. 이때 전류 I C 는 베이스 전류와 무관하게 전원 전압 V CC 와 R C 에 의해서만 좌우된다.
차단 상태와 포화상태 중간에 있을 때 트랜지스터는 활성(active) 상태에 있다고 한다. 이 상태에서 베이스 전류를 가감하여 트랜지스터를 통해 흐르는 주전류를 제어하는 것이 트랜지스터 제어의 기본이다. 이 영역에서 트랜지스터는 증폭 동작을 하고 있다.
트랜지스터가 활성 영역에 있을 때 동작점의 결정 방법
1) 베이스 전류를 구한다. 분자의 0.7V는 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이의 p-n 접합면에서의 전압강하
2) 베이스 전류에 직류 증폭률을 곱해서 컬렉터 전류를 구한다.
3) 컬렉터 전류가 구해지면 이 전류는 전원에서 Rc를 거쳐 트랜지스터로 흐르는 전류에 해당하므로 트랜지스터 양단 전압을 구할 수 있다.
이렇게 구해진 V CE 와 I C 는 그림 5에서 주어진 I B 에 대한 동작점의 좌표를 나타내게 된다
트랜지스터 특성 곡선의 관측
관측을 위해선 동작점이 트랜지스터의 특성 곡선을 따라 움직이도록 해야 한다. 따라서 직류 대신 삼각파를 인가하여 오실로스코프의 X-Y 모드를 통해서 관측하도록 한다.
전원 전압이 변동하면 부하선이 평행이동을 반복하고, 주어진 베이스 전류에 대해 동작점은 굵은 선으로 나타낸 트랜지스터 특성 곡선을 따라 왕복하게 된다. 이 과정에서 회로 각 부분의 동작 파형은 그림 7처럼 나타난다.
트랜지스터 특성 곡선 관측 트랜지스터 특성 곡선 오실로스코프
A 구간: active region
그림 7의 A 구간은 그림 6(b)에서 동작점이 특성 곡선의 수평 부분상에 있을 때이며 컬렉터 전류가 거의 일정한 값을 유지하므로 R C 에서의 전압강하도 일정하다. 따라서 트랜지스터 컬렉터 단자의 전압은 전원 전압에서 R C I C 에 해당하는 일정한 전압을 뺀 값이 나타나게 된다. 그 동안 트랜지스터는 활성 영역에서 동작한다.
B 구간: saturation
전원 전압이 감소하여 이 컬렉터 전압이 0에 가까운 전압에 도달하면 트랜지스터는 포화상태로 들어가고 전원 전압이 그 이하로 감소하는 B 구간 동안 컬렉터 전압은 0에 가까운 전압을 유지한다. 이 구간 동안 회로에는 베이스 전류와 무관하게 전원 전압을 RC로 나눈 값에 해당하는 전류가 흐르게 된다. 이 구간은 그림 6(b)에서 동작점이 특성 곡선의 수직선 부분상에 있을 때이다.
C 구간: cutoff
전원 전압이 0보다 작은 값이 되는 C 구간에서는 트랜지스터는 역방향으로 전류를 흘릴 수 없기 때문에 차단 상태가 되고 전류는 0이 된다. 그리고 역방향의 전원 전압이 그대로 트랜지스터 양단에 나타난다. 트랜지스터는 약간의 역방향 전압은 견딜 수 있지만 그 크기가 수 V 이상이 되면 파손되므로 주의해야 한다.
부하선의 관측
회로에서 베이스 전류를 가감하면 동작점이 부하선을 따라 움직이므로 부하선을 관측할 수 있다.
이를 위해 그림 8(a)와 같이 주전원 V CC 와 R C 를 일정한 값으로 놓고 베이스 구동전원 V BB 에 삼각파 전원을 인가하여 베이스 전류가 주기적으로 맥동하게 만들어준다. 그림 8(b)와 같이 관측될 것이다.
트랜지스터 부하선 관측
트랜지스터 부하선 오실로스코프
그림 9는 베이스 전류가 주기적으로 변화할 때 회로의 동작 파형을 보여준다.
A 구간: cutoff
베이스 전류는 베이스 구동전압 V BB 가 베이스-에미터 간 다이오드 전압강하 0.7V를 넘어야만 흐를 수 있기 때문에 그 이하인 동안에는 0의 값을 유지한다. 이 상태는 그림 8(b)에서 동작점이 A점에 있을 때이며 트랜지스터는 차단 상태이므로 컬렉터 전류 IC는 0이 되고 전원 전압이 트랜지스터 양단에 그대로 나타난다.(V CE = V CC ) 그림 9에서 A 구간이 이 상태에 해당한다.
B 구간: active region
베이스 구동전압이 0.7V 보다 커서 베이스 전류가 흐르면 I C 는 베이스 전류에 비례하여 증가한다. 이는 그림 9에서 B 구간에 해당한다.
C 구간: saturation
베이스 전류가 어느 이상이 되면 동작점은 그림 8(b)의 특성 곡선상에서 C점에 도달하고 베이스 전류가 증가하여도 더 이상 증가하지 않는다. 이때가 포화상태이며 그림 9의 C 구간에 해당한다.
B-C-B 구간의 점선
베이스 전류의 최대치가 그다지 크지 않아 특성 곡선이 그림 8(b)에서와 같이 크게 변화하지 않는다면 동작점이 C점에 까지 도달하지 않을 수도 있다. 이 경우 파형은 그림 9에서 점선으로 나타낸 것과 같다.
트랜지스터의 검사
트랜지스터 npn,형 pnp형
트랜지스터의 정상 여부 판단은 트랜지스터의 각 층간의 접합면이 정상인지를 판단해야 한다. 그림 10처럼 트랜지스터는 마치 두 개의 다이오드를 접합시켜 놓은 것과 같으므로 임의의 두 단자 간에서 다이오드를 검사할 때와 같은 요령으로 정상여부를 검사하면 된다.
즉 베이스-에미터, 베이스-컬렉터 간을 검사하여 어느 한쪽이라도 정상적인 다이오드로서의 특성을 나타내지 않으면 불량 소자로 판정된다. 컬렉터와 에미터 사이는 양방향으로 모두 개방된 것으로 나타나야 정상이다.
검사 전 유의사항
– 테스터가 순방향 역방향에 대하여 어떤 지시치를 나타내는지를 먼저 확실히 해두어야 좋다 .
– 테스트 도중 테스터의 단자에 피부가 접촉되지 않도록 한다 .
– 트랜지스터마다 단자의 배치도가 다를 수 있으므로 데이터 시트를 참고하도록 한다 .
실험기기
테스터, 오실로스코프, 직류전원장치(dual), 함수발생기, 만능기판, 만능기판용 전선, 스트리퍼,
트랜지스터(2N4401) 1개, 다이오드 1개, 저항 100Ω(5W) 1개, 10kΩ 1개, 1kΩ 가변저항 1개
문제풀이
(1) 실험에 사용될 2N4401 트랜지스터의 데이터 시트를 준비한다. 인터넷을 통하여 데이터 시트를 구하려면 Motorola, Fairchild, National Semiconductor 사 등 반도체 제조회사들의 hompage를 먼저 찾은 다음 Product 항목에서 discrete component 부분을 찾도록 하라. 또는 반도체 소자 판매상에서 데이터 시트를 복사할 수도 있다.
(2) 데이터 시트로부터 해당 소자의 직류 전류 증폭률이 얼마인지 조사하라.
(3) 그림 4에서 V BB = 5V, R B = 10kΩ, R C = 100Ω, V C = 20V 라 할 때 트랜지스터 양단 전압과 트랜지스터를 통해 흐르는 전류를 구하라. 그리고 트랜지스터와 R C 에서 소비되는 전력을 각각 구하라. 단, 직류 전류 증폭률은 200이라 가정한다.
(4) 위의 3항에서 R B 를 1kΩ으로 변경시켰다고 하며 이때의 트랜지스터 양단 전압과 전류는 얼마인가? 이때 트랜지스터는 어떠한 상태에서 동작하는가?
(5) 본문의 그림 6에서는 전원 전압의 변화에 따라 부하선이 변화하는 것에 대하여 설명하였다. 만일 전원 전압을 일정하게 놓고 대신에 R C 를 변화시킨다면 부하선은 어떤 양상으로 변화하며 이때 동작점은 어떻게 변화하는가?
실험 순서
(1) 주어진 트랜지스터의 정상여부를 테스터를 사용하여 검사하라. (트랜지스터의 검사 전에 주어진 시험용 다이오드를 사용하여 순방향으로 검사할 때와 역방향으로 감사할 때 테스터가 어떻게 반응하는지 먼저 확인하도록 한다.) 세 개의 트랜지스터 단자를 두 개의 테스터 단자로 검사하므로 모두 여섯 가지의 조합이 나온다. 각각의 경우에 테스터의 지시치를 기록하고 그 결과 트랜지스터가 정상인지의 여부를 판정하라.
전압-전류 특성 측정
(2) 그림 4의 회로를 결선하라. R B =10kΩ, R C =220Ω으로 한다. 단 결선 전에 사용한 저항의 실제 저항값을 테스터로 측정하고 기록한다.
(3) V BB 를 최소로 놓고 V CC 를 0에서 20V까지 1~2V 간격으로 증가시켜 나가면서 매 단계마다 다음의 측정치를 기록한다. 단, 모든 전압의 측정은 접지점을 기준으로 하여 행한다. 즉 테스터의 음단자를 접지점에 접촉하고 양단자를 옮겨가면서 측정을 행한다.
1. 베이스 구동전압(V BB )
2. 트랜지스터 베이스 전압(V BE )
3. 트랜지스터 컬렉터 전압(V CE )
4. 전원 전압(V CC )
(4) 위의 측정치와 2 항에서 측정한 회로의 실제 저항값을 사용, 각 경우의 베이스 전류와 컬렉터 전류를 구하고 이들로부터 직류 증폭률을 계산한다. 그리고 이들 값을 포함한 측정치를 표로 정리한다.
(5) V BB 를 2.5V, 5.0V 등으로 15V까지 2.5V 간격으로 증가시켜 가면서 각 단계마다 3, 4항을 반복한다.
트랜지스터 동작 파형의 관측
(6) 함수발생기의 출력을 -1V와 +10V 사이를 왕복하는 1kHz의 삼각파로 설정한다.
(7) 그림 6과 같이 함수발생기를 전원 대신 연결하고 V BB 를 2.7V로 놓는다. R B 는 10kΩ으로 하고 R C 는 1kΩ의 가변저항을 사용하되 접속 전에 200Ω으로 맞추어 놓는다.
(8) 오실로스코프의 GND를 접지선에 물리고 Ch1은 전원(함수발생기 출력), Ch2는 컬렉터 단자에 물리고 두 채널의 전압 감도 및 영점을 일치시킨다.
(9) 함수발생기를 켜고 오실로스코프 화면상에 나타난 파형을 관측하고 기록한다.
(10) 위의 상태에서 베이스 구동전압을 증가, 혹은 감소시켜보고 그 영향을 관찰하고 기록한다.
(11) 베이스 구동전압을 원래의 상태로 되돌리고 함수발생기의 출력을 변화시키면서 그 영향을 관찰하고 기록한다. 이때 함수발생기 출력이 음의 값으로 크게 내려가지 않도록 주의한다. 트랜지스터에 역방향 전압이 걸리면 파손될 우려가 있다.
(12) 함수발생기의 출력을 원래의 상태로 되돌리고 가변저항을 증가, 감소시켜 보고 그 영향을 관찰하고 기록한다.
전압-전류 특성 곡선의 관측 1
(13) 위의 6, 7 항에 해당하는 상태로 회로를 원위치시킨다.
(14) 오실로스코프를 X-Y 모드로 설정하고 그림 6(a)에 나타낸 것과 같이 측정 단자를 잡는다.
(15) 함수발생기를 켜고 오실로스코프 화면상에 나타난 곡선을 관측하고 기록한다.
(16) 위의 상태에서 베이스 구동전압을 증가, 혹은 감소시켜보고 그 영향을 관찰하고 기록한다.
(17) 베이스 구동전압을 원래의 상태로 되돌리고 함수발생기의 출력을 변화시켜 가면서 그 영향을 관찰하고 기록한다. 이때 함수발생기 출력이 음의 값으로 크게 내려가지 않도록 주의한다. 트랜지스터에 역방향 전압이 걸리면 파손될 우려가 있다.
(18) 함수발생기의 출력을 원래의 상태로 되돌리고 가변저항을 증가, 감소시켜 보고 그 영향을 관찰하고 기록한다.
트랜지스터 동작 파형의 관측 2
(19) 그림 8의 회로를 결선한다. R B 는 10kΩ으로 하고 R C 는 1kΩ의 가변저항을 사용하되 접속 전에 200Ω으로 맞추어 놓는다. 그리고 전원 전압은 20V로 한다.
(20) 결선된 상태에서 함수발생기의 출력을 0~5V 사이에서 교번 하는1kHz의 삼각파로 맞춘다.
(21) 오실로스코프의 GND를 접지선에 물리고 Ch1 은 베이스 전원(함수발생기 출력), Ch2는 컬렉터 단자에 물리고 두 채널의 전압 감도 및 영점을 일치시킨다.
(22) 전원을 켜고 오실로스코프 화면상에 나타난 파형을 관측하고 기록한다.
(23) 위의 상태에서 전원 전압 V CC 를 증가, 혹은 감소시켜보고 그 영향을 관찰하고 기록한다.
(24) 전원 전압을 원래의 상태로 되돌리고 함수발생기의 출력을 변화시키면서 그 영향을 관찰하고 기록한다. 이때 함수발생기 출력이 음의 값으로 내려가지 않도록 주의한다.
(25) 함수발생기의 출력을 원래의 상태로 되돌리고 가변저항을 증가, 감소시켜 보고 그 영향을 관찰하고 기록한다.
부하선의 관측
(26) 19, 20 항에 해당하는 상태로 회로를 원위치시킨다.
(27) 오실로스코프를 X-Y 모드로 설정하고 그림 8에 나타낸 것과 같이 측정 단자를 잡는다.
(28) 전원을 켜고 오실로스코프 화면상에 나타난 곡선을 관측하고 기록한다.
(29) 위의 상태에서 전원 전압을 증가, 혹은 감소시켜보고 그 영향을 관찰하고 기록한다.
(30) 전원 전압을 원래의 상태로 되돌리고 함수발생기의 출력을 변화시켜 가면서 그 영향을 관찰하고 기록한다. 이때 함수발생기 출력이 음의 값으로 내려가지 않도록 주의한다.
(31) 함수발생기의 출력을 원래의 상태로 되돌리고 가변저항을 증가, 감소시켜 보고 그 영향을 관찰하고 기록한다.
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【회로이론】 8강. 트랜지스터
8강. 트랜지스터(transistor)
추천글 : 【회로이론】 회로이론 목차
a. 트랜지스터 실험
1. 트랜지스터(transistor)
⑴ 트랜스(trans)와 저항(resistor)의 합성어
⑵ 기능 : 신호 증폭 기능, 스위칭 기능
⑶ 종류 1. 쌍극형 접합 트랜지스터 : TTL 메모리를 구성함
① n형 반도체와 p형 반도체를 접합하여 제조
② 전류로 전류를 제어
③ 쌍극성
⑷ 종류 2. 전계효과형 트랜지스터 : MOS 메모리를 구성함
① 도체, 부도체, 반도체를 결합하여 제조
② 전압으로 전류를 제어
③ 단극성
2. 쌍극형 접합 트랜지스터(BJT, bipolar junction transistor)
⑴ 정의 : n형 반도체와 p형 반도체를 접합하여 제조
⑵ 구조
① NPN 트랜지스터와 PNP 트랜지스터가 있음
○ 일반적으로 NPN 트랜지스터를 기준으로 생각
○ PNP 트랜지스터는 NPN 트랜지스터에서 인가전압을 뒤집으면 정확히 동일
② BJT 트랜지스터는 베이스, 이미터, 컬렉터로 구성
○ 이미터 : 전하 운반자를 방출하는 부분이라는 의미
○ 컬렉터 : 전하 운반자를 받아들이는 부분이라는 의미
③ 전하는 이미터(E, emitter) → 베이스(B, base) → 컬렉터(C, collector)로 전하가 이동
Figure. 1. NPN 트랜지스터(←)과 PNP 트랜지스터(→)의 기호
○ B-E 간 관계, B-C 간 관계는 다이오드로 볼 수 있음
○ NPN 트랜지스터 기호 : 전자가 이미터 → 베이스 → 컬렉터로 이동. 전류는 반대 방향
○ PNP 트랜지스터 기호 : 정공이 이미터 → 베이스 → 컬렉터로 이동. 전류는 같은 방향
④ 트랜지스터에서 이미터의 도핑 농도가 컬렉터의 도핑 농도보다 높음
⑶ 영역 1. 순방향 능동영역(활성영역, active region)
① 조건 (NPN 트랜지스터 기준)
○ B-E 접합은 순방향 바이어스
○ B-C 접합은 역방향 바이어스
○ 즉, V E ＜ V B ＜ V C 일 것
② 메커니즘
Figure. 2. 활성영역 NPN 트랜지스터의 작동 원리
(붉은 점은 전자를 표시)
○ 1st. E-B에 인가된 순방향 바이어스는 전자를 이미터에서 베이스로 이동시키며 I E 를 형성
○ 2nd. 베이스는 도핑이 덜 돼 있고, 그 폭은 일반적으로 10-6 m : I E 를 형성하는 전자 중 5% 미만이 정공과 결합
○ 3rd. 나머지 95%의 전자는 베이스에서 컬렉터로 이동하며 I C 를 형성
○ 4th. 대부분의 전류가 컬렉터로 흐름 : 컬렉터 전류는 베이스로 들어온 전하의 영향이 큼. 전기장의 영향 작음
○ 5th. 위와 같은 방식으로 BJT 트랜지스터에서 확산전류가 발생 : 전계에 의한 전류인 드리프트 전류가 아님
○ 다음 방정식이 성립함은 명백함
③ 등가회로 : B-E 접합은 문턱 전압을 갖는 다이오드로 모델링. B-C 접합은 종속 전류원으로 치환
Figure. 3. 활성영역의 등가회로
○ 종속 전류원 : I C = βI B
○ 일반적으로 β는 정수이고 α는 아니므로 β를 많이 사용함
○ 전류는 컬렉터에서 이미터 쪽으로만 흐를 수 있음. 역방향 불가
○ 증폭비 β는 베이스의 물리적 크기와 도핑 농도에 따라 달라지며 일반적으로 100 정도
○ 발상 : 컬렉터를 통해 들어오려는 전류가 많은데 I B 에 비례하는 만큼만 컬렉터로 들어올 수 있음
○ 트랜지스터의 도통상태를 유지하기 위해 계속 베이스 전류가 흐르고 있어야 함
○ 문제 풀이 방법론 : 베이스 전류 → 컬렉터 전류 → 이미터 전류 → V CE → V CB 순으로 계산
④ 다이오드 내에 흐르는 전류의 양은 다이오드의 전류-전압 곡선의 지수함수 식을 따름
⑷ 영역 2. 포화영역(saturation region)
① 조건 (NPN 트랜지스터 기준)
○ B-E 접합은 순방향 바이어스
○ B-C 접합은 순방향 바이어스
○ 즉, V E , V C ＜ V B 일 것
② B-E에서 순방향 다이오드, C-E에서 순방향 다이오드가 있는 것과 같음
○ 내부적으로 전하 캐리어가 베이스 영역에 모여 포화됨 → 베이스 전류가 증가해도 컬렉터 전류흐름 변화 ×
○ B-E의 문턱전압은 일반적인 다이오드의 문턱전압과 같음 : 약 0.7 V
○ C-E의 문턱전압은 V CE(sat) 로 표시하며 약 0.2 V
○ (주석) B 단자는 좁으므로 C-B의 순방향 바이어스는 곧 C-E의 순방향 바이어스와 같아짐
③ 등가회로
Figure. 4. 포화영역의 등가회로
○ 기본적으로 V CE 의 증가에 따라 I C 가 지수적으로 증가 (Shockley 다이오드 모델)
○ 동작점 분석까지 고려하면 순방향 다이오드를 정전압원과 이상적 다이오드로 간주해도 무방 (정전압 특성곡선)
○ V BE 가 일정한 것처럼 V CE(sat) 또한 일정함 : 이는 특성곡선을 단순화한 것
○ β forced 는 컬렉터 전류 ÷ 베이스 전류로 정의
○ β forced 는 V CE 에 비례하여 증가 : 완벽한 비례 관계는 아님
○ β forced 가 활성영역의 전류증폭비인 β dc 까지 증가하면 활성영역으로 전환
⑸ 영역 3. 차단영역(cutoff region)
① 조건 (NPN 트랜지스터 기준)
○ B-E 접합은 역방향 바이어스
○ B-C 접합은 역방향 바이어스
○ 즉, V B ＜ V E , V C 일 것
② 등가회로
Figure. 5. 차단영역의 등가회로
⑹ 영역 4. 역방향 능동영역(역활성 영역, breakdown region)
① 조건 (NPN 트랜지스터 기준)
○ B-E 접합은 역방향 바이어스
○ B-C 접합은 순방향 바이어스
○ 즉, V E ＞ V B ＞ V C 일 것
② 신호를 축소하므로 잘 사용하지 않는 영역
⑺ 트랜지스터의 전류-전압 특성 곡선 : 컬렉터의 전류-전압 특성 곡선이라고도 함
① 이상적 트랜지스터의 전류-전압 특성 곡선 : 컬렉터의 전류-전압 특성 곡선
Figure. 6. 트랜지스터의 전류-전압 특성 곡선
Figure. 7. 단순화된 트랜지스터의 전류-전압 특성 곡선
Figure. 8. 컬렉터 특성곡선 실험과 동작점
○ 포화영역 : A ~ B. 즉, 기울기가 있는 선분 상에 있는 경우
○ V B = 0.7 V
○ V BB 를 고정시키고 V CC 를 증가시켜서 V CE 를 0 ~ 0.7 V까지 점차로 증가
○ V C = V CE ＜ V B = 0.7이므로 BC 접합은 순방향 바이어스 상태
○ V CC 를 증가시켜 V CE 가 증가하면 I C 도 점차 증가 (Shockley 다이오드 모델) : 지수적으로 증가
○ I B 를 증가시켜도 I C 는 일정 : BE 접합과 BC 접합은 모두 순방향 바이어스이므로 제어 기능이 없음 (스위치 ON)
○ 등가회로에서 V CE 가 일정한 것은 실제 다이오드를 이상적 다이오드 + 정전압원으로 나타내는 것과 유사. 즉, 그래프의 실질적 차이가 있지만 동작점 계산 시 크게 다르지 않은 해를 보여줌
○ 등가회로는 I C 가 I B 와 관련 없어서 선이 겹치게 됨. 실제 회로는 I B 가 클수록 컬렉터 전류가 더 원활히 흐름
○ 활성영역 : B ~ C. 즉, 평행한 선분 상에 있는 경우
○ V B = 0.7 V
○ V CC 를 증가시켜서 V CE ＞ 0.7 V로 만듦
○ V C = V CE ＞ V B = 0.7이므로 BC 접합은 역방향 바이어스 상태
○ V CC 가 증가해도 I C 는 일정하게 유지 : I C = β × I B , β = 상수
○ I B 를 증가하면 I C 증가
○ 항복영역 : C 이후. 즉, 다시 기울기가 있는 반직선 상에 있는 경우
○ V CC 가 계속 증가하여 BC 접합이 과도하게 역방향 바이어스가 되면 항복현상 발생 : 다이오드와 유사
○ 항복영역에서 트랜지스터는 파괴되므로 V CC ＜ V CE(max) 에서 사용할 것
○ 차단영역 : I B = 0
○ V BB = 0, I B = 0인 경우 V CC 를 증가시키면 BC 접합과 BE 접합은 역방향 바이어스
○ 컬렉터 전류는 약간의 누설전류만 존재 : I C ≒ 0
○ BJT 트랜지스터가 I B 로 제어된다는 말은 특성곡선이 I B 를 고정한 상태에서 그려지기 때문
② 실제 트랜지스터의 전류-전압 특성 곡선
Figure. 9. 실제 트랜지스터의 전류-전압 특성 곡선
○ 베이스폭 변조효과(base-width modulation)
○ 1st. V CE 의 증가
○ 2nd. 컬렉터-베이스 역방향 접합의 공핍영역 증가
○ 3rd. 컬렉터 전류 증가 : 활성영역에서 I C 값이 일정하지 않음 (주의. 아닐 수 있음)
○ 얼리 전압(early voltage) : 여러 기울어진 특성곡선을 연장하면 한 점에서 만나는데, 이때의 전압의 절댓값
③ 부하선과 동작점
Figure. 10. 동작점의 예시
○ 베이스 전류-전압, 컬렉터 전류-전압 각각에 대한 특성 곡선과 부하선의 교점을 동작점(Q point)이라고 함
○ 베이스 전류-전압 특성 곡선은 다이오드와 같음
○ 위 전류-전압 특성 곡선은 포화영역에서 I C 가 I B 에 약간 영향을 받는다는 점을 간과하였음
⑻ 응용 : 트랜지스터 스위치
① 정의 : 차단영역과 포화영역을 오가도록 바이어스를 세팅한 것
② 컬렉터 포화 전압을 알면 포화 영역 동작을 위한 최소 베이스 전류를 알 수 있음 (참고. ⑼-③)
⑼ 응용 : 광 트랜지스터
① 트랜지스터의 베이스에 도체를 연결하는 대신 빛을 받아 광전류가 흐르도록 만든 것
⑽ 요약
① 문제 풀이는 활성영역 → 차단영역 → 포화영역 순으로 품
② 접근 방법론 1. 전압 바이어스를 통해 판단
Figure. 11. 트랜지스터 작동영역(transistor region of operation)
③ 접근 방법론 2. 포화영역과 활성영역을 구분할 때 베이스 전류에 대한 컬렉터 전류의 비로 판단
○ β forced ＜ β dc 이므로 다음과 같은 관계식이 관찰
○ 위 관계식을 기준으로 작동영역을 판단하는 것은 접근 방법론 1과 필요충분조건
○ 위 관계식을 이용하여 베이스에 전류원을 달아서 포화영역과 활성영역을 조절하기도 함
○ 위 관계식을 이용하여 포화영역에서 작동하기 위한 I B 의 최솟값을 계산할 수 있음
3. 전계효과형 트랜지스터(FET, field effect transistor)
⑴ 정의 : 도체, 부도체, 반도체를 결합하여 제조
⑵ BJT 트랜지스터와의 비교
① 용어
○ BJT 트랜지스터의 이미터, 베이스, 컬렉터는 FET 트랜지스터의 소스(source), 게이트(gate), 드레인(drain)과 대응
○ BJT 트랜지스터가 NPN을 기준으로 한 것처럼, FET 트랜지스터는 n channel FET을 기준으로 함
○ FET에서 전하는 소스에서 드레인으로 이동 : n channel FET 기준, 전류는 드레인 → 소스. 전자는 소스 → 드레인
② BJT 트랜지스터의 제어 : 베이스 전류에 의해 제어됨
○ 대류 전류 : 전자, 정공, 전해액 내 이온과 같은 하전 입자의
③ FET 트랜지스터의 제어 : 게이트와 소스 사이의 전압으로 제어
○ 전도 전류 : 도체 내에서 전계의 작용으로 자유 전자의 이동이 생기는 것
○ 전자가 정공보다 이동성이 높음
○ 도핑된 반도체에서 다수 캐리어 쪽만 신경쓰면 됨
④ 장점 : 스위칭 속도가 매우 빠름
⑤ 단점 : 용량이 적어서 비교적 작은 전력 범위 내에서 기능
⑶ 종류 1. J-FET(junction FET)
Figure. 12. J-FET의 도식과 기호
① N 채널 J-FET
○ 게이트에 음의 전압을 걸면 P형 반도체에 있는 양공이 가장자리로 이동하면서 드레인 전류 증가
○ 게이트에 양의 전압을 걸면 P형 반도체에 있는 양공이 중앙으로 이동하면서 드레인 전류 감소
② P 채널 J-FET : N 채널 J-FET와 하는 일이 같으며 인가 전압이 반대
⑷ 종류 2. MOS-FET(metal oxider silicon FET) : J-FET보다 자주 사용됨
① 게이트가 절연체인 SiO 2 에 의해 드레인 및 소스로부터 분리된 형태
○ 기능 : 절연(insulation) 기능을 수행. 게이트로 오가는 전하의 흐름을 방지
○ 일종의 커패시터로 작용 : 아래 메커니즘 참고
② SiO 2 에는 폴리실리콘 또는 금속이 부착돼 있음 : 게이트의 전압이 골고루 퍼질 수 있게 함
③ 공핍형과 증가형으로 구분
④ CMOS(complementary MOS)
○ 대부분의 디지털 시스템은 CMOS 기술에 기초함
○ C는 상호보완성(complementary)을 나타냄 : p형과 n형이 있기 때문
○ n channel MOS를 n type MOS 또는 nMOS라고도 함
○ p channel MOS를 p type MOS 또는 pMOS라고도 함
○ 반드시 nMOS는 GND에, pMOS는 voltage source에 연결돼도록 해야 함
⑸ 종류 2-1. 증가형 MOS-FET(E MOS-FET, enhancement type MOS-FET)
Figure. 13. 증가형 MOS-FET
Figure. 14. 증가형 MOS-FET 기호
① n channel E MOS-FET을 기준으로 설명
② 1st. 기본적으로 드레인과 소스 사이에는 NPN 반도체가 있어서 전류가 흐를 수 없음
③ 2nd. 채널 형성 : 게이트 전극에 소스보다 큰 전압을 인가하면 산화막 아래에 전자들이 모여 반전층 형성
○ 커패시터 동작 : 커패시터의 경우 한쪽이 (+)이면 반대쪽은 (-)인 것을 상기
④ E MOS-FET 문턱전압 : E MOS-FET에서 채널을 형성하기 위한 최소 게이트 전압
⑤ 포화영역(saturation region)
○ 조건 1. V GS – V T ＜ 드레인 전압(V DS )
○ 조건 2. 게이트 전압(V GS ) – 문턱전압(V T ) ＞ 0
○ 위 조건은 마치 게이트와 소스가 순방향 바이어스이고, 게이트와 드레인이 역방향 바이어스인 상황
○ 전류 특성 : 전류 상수 K는 제조 시점에서 이미 결정돼 있음
○ 드레인 전압은 전자의 운동뿐만 아니라 채널의 형태를 바꿈
Figure. 15. 드레인 전압의 인가와 채널의 형태 변화
○ 핀치오프(pinch-off) 현상 : 채널 내의 전자들이 드레인으로 빠져나가다가 채널이 끊기는 현상
Figure. 16. 핀치오프 현상
○ BJT 트랜지스터의 활성영역은 FET 트랜지스터의 포화영역과 대응
○ (주석) 채널이 끊기면 전류가 흐르지 않는다는 의미
○ (주석) 적당히 끊겼다 안 끊겼다를 조절하면서 드레인-소스 전압에 무관하게 전류가 흐른다는 걸로 추정됨
⑥ 비포화영역(Ohmic region)
○ 조건 1. 드레인 전압(V DS ) ＜ V GS – V T
○ 조건 2. 게이트 전압(V GS ) – 문턱전압(V T ) ＞ 0
○ 위 조건은 마치 게이트와 소스가 순방향 바이어스이고, 게이트와 드레인이 순방향 바이어스인 상황
○ 전류 특성 : 전류 상수 K는 제조 시점에서 이미 결정돼 있음
○ BJT 트랜지스터의 포화영역은 FET 트랜지스터의 비포화영역과 대응
⑦ 차단영역
○ 조건 : 게이트 전압(V GS ) – 문턱전압(V T ) ＜ 0
○ 위 조건은 마치 게이트와 소스가 역방향 바이어스인 상황
○ 게이트 전압이 E MOS-FET 문턱전압을 넘지 못해 채널 형성이 안 됨 → 전류 흐르지 않음
⑧ 특성곡선
Figure. 17. E MOS-FET의 특성곡선
○ 비포화영역 : 기울기가 있는 선분 상에 있는 점들
○ 포화영역 : 평행한 반직선 지점. 실제로는 얼리효과가 관찰돼 약간의 기울기가 있음
○ 차단영역 : I D = 0
○ 드레인 전류 I D 는 BJT 트랜지스터의 컬렉터 전류 I C 와 대응
○ 드레인-소스 전압 V DS 는 BJT 트랜지스터의 컬렉터-이미터 전압 V CE 와 대응
○ 천이점 : 불포화영역과 포화영역의 경계
○ FET 트랜지스터가 V GS 로 제어된다는 말은 특성곡선이 V GS 를 고정한 상태에서 그려지기 때문
⑨ 문제가 주어졌을 때 포화영역 → 비포화영역 → 차단영역 순으로 상황을 가정해야 함
⑹ 종류 2-2. 공핍형 MOS-FET(D MOS-FET, depletion type MOS-FET)
Figure. 18. 공핍형 MOS-FET
Figure. 19. 공핍형 MOS-FET 기호
① n channel D MOS-FET을 기준으로 설명
② 1st. 구조적으로 채널이 이미 형성돼 있음 : 게이트 전압이 없어도 드레인 전류가 흐름
○ n형 반도체가 실리콘 산화막 아래에 얇게 깔려 있음
③ 2nd. 게이트 전압이 양의 전압인 경우 n형 반도체의 전자가 산화막 아래로 모임
○ 커패시터 동작 : 커패시터의 경우 한쪽이 (+)이면 반대쪽은 (-)인 것을 상기
○ 전자가 산화막 아래로 모이면서 채널이 두꺼워짐 → 전류가 강화됨
○ 전류가 증가하는 것을 증가형 모드 동작이라고 함
④ 3rd. 게이트 전압이 음의 전압인 경우 n형 반도체의 전자가 가장자리로 흩어짐
○ 커패시터 동작 : 커패시터의 경우 한쪽이 (-)이면 반대쪽은 (+)인 것을 상기
○ 전자가 산화막 아래에서 가장자리로 흩어지면서 채널이 얇아짐 → 전류가 약화됨
○ 전류가 감소하는 것을 공핍형 모드 동작이라고 함
⑤ D MOS-FET 문턱전압 : 드레인 전류를 0으로 만드는 전압
○ (주의) V GS = 0인 경우에도 드레인 전류는 0이 아님 : 이때의 전류를 I DSS 라고 함
⑥ 특성곡선
Figure. 20. D MOS-FET의 특성곡선 (1)
Figure. 21. D MOS-FET의 특성곡선 (2)
입력 : 2018.02.15 14:33
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