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 IC를 말함(pnp형의 경우 반대 방향)
- 트랜지스터 소자 양단 전압:: 컬렉터와 에미터 사이에 걸리는 전압 VCE
- 트랜지스터의 특성: IC, VCE두 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 IB를 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 3의A 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
βdc는 직류 전류 증폭률(dc current gain)이라는 비례 상수로 트랜지스터 모델마다 고유한 값을 갖는다.(보통 hFE기호를 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 VBB-RB-베이스-에미터로 구성되는구동회로와 오른편의 VCC-RC-컬렉터-에미터로 구성되는주회로로 이루어져 있다.
주회로에서 트랜지스터를 제외한 나머지 부분(VCC, RC)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 IC는 거의 0에 가깝고 전원 전압 VCC가 트랜지스터 양단에 그대로 나타난다.
베이스 전류가 증가하여 동작점이 이동하는 과정에서 IC는 베이스 전류에 비례하여 증가한다.
동작점이 E 지점에 이르면 베이스 전류를 증가시켜도 동작점이 더 이상 이동하지 않고 F 지점에 고정된다. 즉 IB가 증가하여도 IC는 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 IC는 베이스 전류와 무관하게 전원 전압 VCC와 RC에 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.
분자의0.7V는 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이의p-n접합면에서의 전압강하
2) 베이스 전류에 직류 증폭률을 곱해서 컬렉터 전류를 구한다.
3) 컬렉터 전류가 구해지면 이 전류는 전원에서Rc를 거쳐 트랜지스터로 흐르는 전류에 해당하므로 트랜지스터 양단 전압을 구할 수 있다.
이렇게 구해진VCE와IC는 그림5에서 주어진IB에 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 관측트랜지스터 특성 곡선 오실로스코프
A 구간: active region
그림 7의A 구간은 그림 6(b)에서 동작점이 특성 곡선의 수평 부분상에 있을 때이며 컬렉터 전류가 거의 일정한 값을 유지하므로 RC에서의 전압강하도 일정하다. 따라서 트랜지스터 컬렉터 단자의 전압은 전원 전압에서 RCIC에 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 VCC와 RC를 일정한 값으로 놓고 베이스 구동전원 VBB에 삼각파 전원을 인가하여 베이스 전류가 주기적으로 맥동하게 만들어준다. 그림 8(b)와 같이 관측될 것이다.
트랜지스터 부하선 관측
트랜지스터 부하선 오실로스코프
그림9는 베이스 전류가 주기적으로 변화할 때 회로의 동작 파형을 보여준다.
A 구간: cutoff
베이스 전류는 베이스 구동전압 VBB가 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.(VCE = VCC) 그림 9에서 A 구간이 이 상태에 해당한다.
B 구간: active region
베이스 구동전압이 0.7V 보다 커서 베이스 전류가 흐르면 IC는 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.
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 VBB= 5V, RB = 10kΩ, RC = 100Ω, VC = 20V 라 할 때 트랜지스터 양단 전압과 트랜지스터를 통해 흐르는 전류를 구하라. 그리고 트랜지스터와 RC에서 소비되는 전력을 각각 구하라. 단, 직류 전류 증폭률은 200이라 가정한다.
(4) 위의 3항에서 RB를 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 RC를 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. RB=10kΩ, RC=220Ω으로 한다. 단 결선 전에 사용한 저항의 실제 저항값을 테스터로 측정하고 기록한다.
(3) VBB를 최소로 놓고 VCC를 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(VBB)
2. 트랜지스터 베이스 전압(VBE)
3. 트랜지스터 컬렉터 전압(VCE)
4. 전원 전압(VCC)
(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) VBB를 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 VBB를 2.7V로 놓는다. RB는 10kΩ으로 하고 RC는 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. RB는 10kΩ으로 하고 RC는 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 VCC를 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.
