(주)대화모터

(3) 트랜지스터

1) 정의

미국 Bell 전화 연구소 William Shockley의 정공 이론을 바탕으로 하여 1948년 동전화 연구소의 John John Bardeen,Walter Brattain 발명한 것으로 게르마늄이나 실리콘(규소) 등의 반도체 결정 속의 전자 또는 정공의 작용을 이용하여 증폭, 발진, 변조, 검파 등 진공관과 같은 작용을 시킬 수 있는 회로 소자를 말한다. 구조에 따라 점 접촉형, 접합형의 2가지 구조로 대별할 수 있다.
현재는 접합형이 대부분이다. 접합형에는 캐리어 차이에 따라 PNP와 NPN형이 있다.

2) 개요

구조는 NPN 또는 PNP 라는 층 구조로 되어 있으며 베이스층의 두께가 매우 작은 것이 특징이다.

① 전류가 흐르는 방향과 정 특성

그림 기호에서 이미터의 화살표는 전류가 흐르는 방향을 나타내고 있다.
예를 들어 NPN 형인 경우 전류는 베이스에서 이미터로 또 컬렉터에서 이미터로 흐른다. 마찬가지로 PNP형인 경우 전류는 이미터에서 베이스로 또 이미터에서 컬렉터로 흐른다. 트랜지스터는 전류 증폭소자이므로 가장 중요한 정 특성은 ZB파라미터로 한 VCE-IC 특성이다. 그림을 보면 알 수 있듯이 IC는 VEC에 거의 의존하지 않고 일정한 영역을 가지며 이 평탄영역에 있어서 IC는 IB를 가변함으로써 제어할 수 있다.

② 전류 증폭 소자이지만 전압 증폭에도 많이 사용된다.

트랜지스터는 전류 증폭소자이지만 실제로는 전압을 증폭하기 위해 사용하는 경우가 많다.
표에 사용 예로 나타낸 바와 같이, 바이어스 저항 RB1과 RB2의 이해를 바이어스 해둔다. 그래서 VB의 값을 변환시키면 VBE가 변화되고 그에 의해 IB가 변회되며 그것이 hFE배 증폭된 IC의 변화로 되어 표현된다. 이 변화가 부하저항 RC에 의해 전압변화로 인출되어 전압이 증폭된다.

3) 트렌지스터의 동작 원리

① 베이스층이 극히 얇은 경우

그림2(a)와 같이 B-E 사이와 B-C 사이에는 PN 접합이 각각 형성되어 있다. 먼저 B-E 사이에 순방향, B-C 사이에 역 방향이 되도록 전압을 인가한다. 그러면 B-E 사이는 순방향이므로 전류가 흐른다. 즉, 전자가 이미터에서 베이스로(화살표 방향으로) 흐른다. 그러나 베이스층의 두께는 매우 얇기 때문에 전자는 거의 이 베이스층을 관통하여 컬렉터층에 도달한다. B-C 사이에는 역 바이러스가 걸려 있으므로 컬렉터층에 들어간 전자는 단번에 컬렉터 전극을 향해 확산돼 간다.
이 전자의 흐름이 컬렉터 전류이다.

한편, 베이스층에서는 이미터에서 전자 극히 일부가 베이스층의 정공과 재결합하여 소멸된다.
또 순방향 바이어스 되어 있으므로 몇 개의 정공은 이미터 측으로 흐른다. 이것이 베이스 전류이다. 즉, B-E 사이를 순방향 바이어스하고 작은 베이스 전류를 흘림으로써 큰 컬렉터 전류를 흘릴 수 있다. 이 컬렉터 전류와 베이스 전류의 비를 직류전류 증폭률(hFE) 이라 하며 다음과 같은 식으로 나타낸다.
이 hFE값이 크다는 것이 트랜지스터의 특징이다.

② 베이스층이 두꺼우면 트랜지스터로서 동작하지 않는다.

다음에 베이스층이 두꺼운 경우를 살펴본다 그림 2(b)와 같은 경우 이미터에서 베이스로 유입된 전자는 베이스층의 정공과 재결합하여 소멸, 베이스 전류로 된다 따라서 전자는 컬렉터층에 도달하지 않으므로 컬렉터 전류는 흐르지 않는다.
마치 다이오드 2개가 연결되어 있는 것과 같다. 등가회로 모델로서 이 다이오드가 2개인 회로가 자주 등장하지만 트랜지스터의 경우에는 2개의 다이오드가 일체로 되어 동작한다. 등가회로와 같이 단지 2개의 다이오드를 접속해도 트랜지스터로서는 동작하지 않는다.

4) 트랜지스터의 전기적 특성

① 컬렉터 차단 전류(ICBO)

이미터를 개방한 상태에서 컬렉터-베이스 사이에 전압을 인가했을 때 흐르는 전류이다.
이 값이 작을수록 좋은 트랜지스터이다. 온도상승이나 열화 등에 의해 값이 커진다.

② 이미터 차단 전류(IEBO)

컬렉터를 개방한 상태에서 이미터-베이스 사이에 역 방향 전압을 인가했을 때 흐르는 전류이다. 이 값이 작을수록 좋은 트랜지스터이다.

③ 직류 전류 증폭율(hFE)

직류에서의 베이스 전류와 컬렉터의 비율이다. 컬렉터 전류나 주위온도 등에 의해 변화된다.
hFE의 FE는 대문자이다. 이에 대해 정현파 교류신호에 의해 베이스 전류를 변화시키고 그 때의 컬렉터 전류 변화를 측정, 그 비에서 구한 값을 소신호 전류 증폭률이라 하며 hfe (fe소문자) 로 나타낸다.

④ 컬렉터-이미터간의 포화 전압(VCE(sat))

측정조건으로 나타낸 바와 같이, 트랜지스터를 완전히 ON 상태로 했을 때의 컬렉터-이미터간 전압이다. 이 값이 크면 트랜지스터로 했을 때의 소비전력이 커진다.

⑤ 트랜짓즈터의 주파수(fT)

hfe가 로 되는 주파수이다. 트랜지스터의 고주파 특성을 나타내는 지표로, 이 값이 클수록 높은 주파수에서 사용할 수 있다. 특히 IC가 작은 경우, fT가 매우 작아지므로 저소비전력의 고주파 엠프를 만들 경우에는 배려가 필요하다.

⑥ 컬렉터 출력용량(Cob)

컬렉터-이미터간 정전용량이다. 이 값이 큰 트랜지스터는 높은 주파수에서 증폭도가 저하되므로 고주파용으로는 적합하지 않다.

⑦ 잡음지수(F(NF))

출력신호와 입력신호에서의 신호잡음비 (SN비)를 데시벨로 나타낸 것이다. 값이 작을수록 저잡음 증폭기가 된다.

⑧ hFE의 분산

hFE는 주로 베이스층의 두께로 결정되고 또 그 두께는 매우 얇아 제조에 있어서 두께가 분산된다.

5) 최대정격

트랜지스터에서는 최대정격이 설정되어 있어 최대정격을 초과하여 사용하면 트랜지스터가 파괴되는 경우가 있다.

① 컬렉터-이미터간 전압(VCBO)

컬렉터 - 이미터간 전압(VCBO) 컬렉터 - 이미터 사이에 전압을 인가해 가면 전자사태 항복 현상에 의해 컬렉터 전류 IC가 급격히 유출된다. 그 때의 전압을 VCBO라 한다. 트랜지스터를 선택할 때 VCBO는 사용할 전원전압의 2배정도 이상으로 한다.

② 컬렉터-이미터간 전압(VCEO)

컬렉터 이미터 사이의 내압을 표현하면 VCEO ≤ VCBO의 관계가 있다.

③ 이미터-베이스간 전압(VEBO)

이미터-베이스간을 PN접합 다이오드라 본다면 다이오드의 역내전압에 상당한다. 이 내압은 6~9V로 작고 제너다이오드로서 사용될 정도로 급격히 항복하여 역 방향전류가 낮은 영역에서는 제너 다이오드보다 성능이 양호하다. 따라서 동작 시 베이스 이미터 사이가 역 바이어스로 될 수 있는 조건에서 사용하는 경우 이 내압을 초과하지 않도록 주의해야 한다.

④ 컬렉터 전류(IC)

컬렉터에 흘릴 수 있는 직류의 최대 전류값 또는 교류전류의 평균값이다. 사용시 최대전류는 이 1/2 이하가 좋다.

⑤ 컬렉터 손실(PC)

컬렉터 손실 PC는 컬렉터-이미터간 전압 VCE와 컬렉터 전류 IC의 곱이다. 즉, 다음의 식으로 나타나는 소비전력이다.
PC = VCEIC
허용 컬렉터 손실은 주위온도(TA)와 함께 감소된다. 보다 속에 트랜지스터를 실장했을 경우, 주위온도는 실온 + 수십°C에 도달하는 것도 있어 열 설계는 매우 중요하다.

⑥ 접합온도(TJ)

) TJ는 트랜지스터를 정상 동작시킬 수 있는 접합부의 최대온도이다. 컬렉터 손실이 있는 경우, TJ > A이며 다음과 같은 식으로 구한다.
TJ = TA + RθJAPC

여기서, TA : 주위온도 [℃], RθJA : 접합-대기간 열 저항[℃/W], PC : 컬렉터 손실[W]
열 저항의 단위는 [℃/W] 이며 1[W] 의 전력이 소비되었을 때의 접합부 상승온도를 나타낸다. TA=25, PC=0.4일 때

열 저항 R θJA는
RθJA = (125-25)/0.4 = 250[℃/W]

예를 들어 VCE = 10V, IC = 10mA 일 때의 접합 온도는
T = TA + RθJAPC
=TA + RθJAVCEIC
=TA + 250 x 10 x 10 - 3
= TA + 25

6) 트랜지스터의 정 특성

① IB-VBE 특성(입력 특성)

그림3과 같이 VCE를 일정하게 유지했을 때의 VBE와 IB의 관계이고 다이오드의 순방향 특성과 거의 같아진다. 다이오드와 마찬가지로 온도에 의해 대폭 변화된다.

② IC-VCE특성(출력 특성)

IB를 파라미터로 한 VCE와 IC의 관계에서 트랜지스터의 출력 특성을 아는데 중요한 특성이다.

③ IB-IC 특성

IB-IC 특성으로는 그림4의 hFE-IC 특성이 사용된다.

※ 참고문헌
전자공학용어대사전, 마이크로 프로세서 8051, 월간 전자기술