[소자] 트랜지스터

3.1.1 트랜지스터의 원리

  트랜지스터는 다이오드의 원리를 이용하여 신호를 증폭하기 위한 용도로 만들어졌으며, 트랜지스터의 발명은 전자회로에 있어 일대 혁명을 가져오게 되었다.
  전기는 전자의 흐름이나 정공의 흐름에 의하여 형성이 된다. 앞서 설명한 다이오드에서 "P"형 물질은 정공을 많이 보유한 물질로서 "+"의 전기를 발생시킬 수 있고 "N"형 물질은 "-"의 전기를 발생시킬 수 있다. 이 사항은 트랜지스터의 동작 원리를 이해하는데 잊지 말아야 할 중요한 내용이다.  

Fig.1  트랜지스터의 동작 원리

 Fig.1과 같이 물이 흐르는 원통관에 ⓑ와 같은 수문이 달려 있다. ⓑ를 안으로 밀면 수문이 닫혀 물이 흐르지 않게 되고 밖으로 당기면 물이 흐르게 된다. 이렇게 ⓑ에 가하는 작은 힘으로 ⓒ에서 ⓔ로 흐르는 큰물의 흐름을 통제 할 수 있게 되는 것이다.

3.1.2 트랜지스터의 구조

 트랜지스터 구조는 다음과 같이 PNP 형태와 NPN 형태로 나눈다.

(1) PNP형 트랜지스터

  PNP 형태의 트랜지스터는 두 개의 P형 물질 사이에 N형 물질을 얇게 하여 붙인 후 각각의 물질에 단자를 붙여 놓은 것이다.

Fig.2  PNP형 트랜지스터의 구조 

  왼쪽의 P형 물질에 있는 단자를 이미터(Emitter) 라고 하며, 중간의 N형 물질에 있는 단자를 베이스(Base) 그리고 오른쪽 P형 물질에 있는 단자를 컬렉터(Collector) 라고 한다. 트랜지스터의 동작을 이해하기 위해 Fig.3와 같이 각각의 단자에 전압을 가해 보기로 하자. (BIASING)

Fig.3  PNP형 트랜지스터의 회로도

  여기에서 E-B가 하나의 다이오드를 구성하고 있으며 C-B간에도 하나의 다이오드가 되는 것을 알 수 있다.  E-B간은 낮은 저항 값을 갖도록 V_EE로 Forward Bias하였고, C-B간은 높은 저항 값을 갖도록 V_CC 로 Reverse Bias 되어 있다. 먼저 E-B간의 전류를 구성하는 주된 전기 소자는 "+" 전기를 가지고 있는 정공(Hole)으로서 만일 C가 없다면 전류는 앞의 다이오드에서 설명한 바와 같이 이미터로부터 베이스로 흐르게 될 것이다.  그러나 “-” 전원이 연결된 P형태의 컬렉터가 있기 때문에 정공의 흐름에 변화가 있게 된다. 즉, 소량의 정공만이 베이스의 전자와 결합하면서 베이스로 흐르고, 상당수의 정공은 “-”전기에 끌려 컬렉터 쪽으로 흐르게 된다. 결국 이미터의 정공이 컬렉터로 옮겨지면서 하나의 회로가 형성이 되고 이미터에서 베이스로 흐르는 전류는 극히 미약하며 이미터에서 컬렉터로 흐르는 전류가 주류를 이루게 된다. E-C 간의 전류의 양은 정공을 움직이는 V_EE와 V_CC의 합에 의하여 결정이 되는데 그 중 E-B간의 Forward Biasing전압이 E-C간의 전류를 결정하는데 주된 요인이 된다. 이는 V_EE늘리면 컬렉터로 흐르는 전류가 많아지고, 줄이면 전류의 양이 적어지게 되므로 컬렉터로 흐르는 전류는 V_EE의 조절에 의해 쉽게 전류의 양이 조절된다는 것이다.

Fig.4  PNP형 트랜지스터의 기호도와 전류특성

(2) NPN형 트랜지스터

  NPN형 트랜지스터의 동작은 양쪽에 N형 물질이 있으므로 같은 원리를 적용하기 위해서는 E와 B간 그리고 B와 C간에 PNP 때와는 반대로 전원을 가해주어야 할 것이라는 것을 짐작할 수 있다. 그러므로 NPN 형태의 트랜지스터에서 주된 전기 소자는 "-" 전기를 가지고 있는 전자(Electron) 가 된다.

Fig.5  NPN형 트랜지스터의 기호도와 전류특성

  이미터와 베이스간의 전류의 흐름은 매우 작으나 이들의 전류를 증감할 수 있다면 이미터와 컬렉터간의 전류가 같이 증감하게 된다. 왜냐하면 전류를 생성시키는 원천은 이미터의 전자 또는 정공이며 제한된 수량이므로, 많은 양의 전기소자가 베이스로 흐른다면 그만큼 컬렉터로 흐르는 전기 소자가 줄어들기 때문이다. 베이스와 컬렉터 간에 흐르는 전류를 누설전류(Leakage Current)라고 하는데 이 전류는 베이스를 형성하는 전기 소자의 성분(PNP는 정공, NPN은 전자)에 의하며 회로에서는 ICBO 또는 ICO라고 표현한다. 누설 전류는 게르마늄 물질인 경우에 수 마이크로(μ : 백만분의 1) Ampere이며, 실리콘인 경우에는 수 나노(10억분의 1) Ampere로 온도가 올라갈수록 누설 전류도 증가한다.  컬렉터와 베이스간의 누설 전류는 트랜지스터의 동작에 중요한 영향을 미친다. 트랜지스터는 온도에 매우 민감한 소자이기 때문에 누설전류가 증가하면 열이 발생하고 그리고 그 열은 단자로 전달되게 된다. 이 현상을 “RUNAWAY" 라고 하는데, 이러한 현상이 없으면 트랜지스터는 열로 인하여 파손이 되어 버린다. 그래서 열을 없애기 위하여 Negative Feed-back이라는 방법을 이용하는데 회로에서 널리 사용되는 방식이다. 실리콘 소재의 트랜지스터는 게르마늄보다 온도 특성이 좋기 때문에 널리 사용되고 있다.

3.1.3 트랜지스터의 접속 방식

    트랜지스터를 접속하는 방식은 공통 이미터(Common Emitter), 공통 컬렉터(Common Collector), 공통 베이스(Common Base)인 세 가지로 나눌 수 있다. 이들은 각각의 특성을 가지고 있어 구현하고자 하는 용도에 따라 실제 회로에 적용을 하면 된다. 여기에서 공통(Common) 이라는 말은 입력 신호와 출력 신호가 같은 단자를 공유한다는 의미이다.

(1) 이미터 공통단자 회로 구성

    : 공통 이미터(Common Emitter)는 입력 신호(Input Signal)가 베이스(Base)와 이미터(Emitter)단자 사이에 공급되며, 출력은 이미터(Emitter)와 컬렉터(Collector) 사이에서 얻을 수 있는 방식으로, 입력과 출력 공히 이미터 단자를 공유하고 있으므로 전압, 전류와 전력의 증폭을 하는 기능을 가지고 있어 가장 많이 이용되는 방식이다.

Fig.6  공통 이미터(Common Emitter)의 회로도

 

(2) 컬렉터 공통단자 회로 구성

   : 공통 컬렉터(Common Collector) 방식은 컬렉터의 Reverse Biasing을 위해 컬렉터 회로에 직류 전원을 필요로 하는데 이 전원은 이상적인(Ideal) 전원을 사용하여 내부의 저항 성분이 거의 없도록 하여야 한다.

Fig.7 공통 컬렉터(Common Collector)의 회로도

(3) 베이스 공통단자 회로 구성

Fig.8 공통 베이스(Common Base)의 회로도