제 11 장 트랜지스터(Transistors) 11.1 쌍극성 트랜지스터 11.2 BJT의 동작원리 11.3 BJT의 전압-전류특성 11.4 BJT 기본 증폭기 11.5 BJT 바이어스 회로 11.6 BJT 실제특성 11.7 전계효과 트랜지스터 Willam Shockley 2007년 1학기 전기전자공학개론

세계 최초의 Bipolar Junction Tr., 1948 트랜지스터의 개발 1947년 Willam Shockley등이 트랜지스터 발명하면서 전자공학은 진공관 시대로부터 실리콘 웨이퍼를 사용한 고밀도 집적회로로 전환된다 쌍극성(Bipolar) 트랜지스터 세 개의 반도체를 연속 접속하여 두 개의 PN 접합을 갖는 구조 PNP형/NPN형 단극성 트랜지스터-하나의 PN접합을 이용, 전계효과 트랜지스터(FET) 세계 최초의 트랜지스터, 1947 세계 최초의 Bipolar Junction Tr., 1948 2007년 1학기 전기전자공학개론

쌍극성 트랜지스터(BJT) Bipolar Junction Transistor세 개의 반도체를 연속 접합 시킨 구조의 트랜지스터 각 반도체에 연결된 단자의 명칭: 이미터(emitter), 컬렉터(collector), 베이스(base) NPN형 트랜지스터 PNP형 트랜지스터 2007년 1학기 전기전자공학개론

BJT의 구조 에피텍셜 플라나(epitaxial planar)구조 – PN접합의 3차원 적층구조 NPN 트랜지스터의 도식적 구조 이미터 측의 도핑농도를 컬렉터측에 비해 훨씬 높게 만든다 이미터와 베이스 사이의 결핍층 두께는 컬렉터와 베이스 사이보다 좁다 2007년 1학기 전기전자공학개론

BJT의 작동특성 트랜지스터의 활성 트랜지스터의 증폭 트랜지스터에 적절한 바이어스를 가하면 전류가 흐르기 시작한다 트랜지스터에는 두 개의 PN접합이 있으므로 두 개의 바이어스가 필요하다 NPN 트랜지스터의 경우 small VEB에 의해 컬렉터와 이미터 사이의 전위장벽이 제거되고 large VCE 가 흐르게 된다 트랜지스터의 증폭 베이스 전류의 작은 변화는 컬렉터 전류의 매우 큰 변화로 나타나며 이를 증폭이라고 한다. P N E C B + VEB VCB 2007년 1학기 전기전자공학개론

BJT의 전압-전류특성 NPN 형 트랜지스터 PNP형 트랜지스터 베이스와 이미터간에 흐르는 전류 IB의 계산 컬렉터와 이미터간에 흐르는 전류 ICE의 계산 I C (max) = V CC R (min) =0 B b 배 컬렉터 전류의 동작 범위 베이스 전류의 2007년 1학기 전기전자공학개론

BJT 회로의 출력특성과 부하곡선 입력루프 : 베이스-이미터 간의 루프 출력루프 : 컬렉터-이미터 간의 루프 입력특성 이상화 된 출력특성 IBQ가 결정되면 부하선도의 Q점으로부터 VCE와 IC를 구할 수 있다 2007년 1학기 전기전자공학개론

Q점의 의미 교류 소신호 증폭시 바이어스(직류성분)가 없다면 신호는 양의 부분만 증폭된다. 교류전압 vs에 적절한 직류전압 VBB를 합해 항상 vs+VBB>VT가 되게 하면 교류 전 파형에 대한 증폭이 가능하다. 2007년 1학기 전기전자공학개론

BJT 등가모델 직류등가회로 교류(소신호)등가회로 직류에 대한 다이오드 특성은 하나의 전압원 VT=0.7V과 컬렉터전류 IC로 등가화 교류(소신호)등가회로 동저항-교류신호에 대한 다이오드 특성은 하나의 저항과 같다 동저항 rd – 베이스/이미터간에 흐르는 직류전류에 반비례 2007년 1학기 전기전자공학개론

BJT 증폭회로 직류증폭회로-베이스단으로 입력된 직류전압의 증폭회로 B-E 루프 : C-E 루프 : 교류증폭회로-소신호원 vs에 의해서만 구동되는 회로 직류전압원은 교류에 대해서 단락과 같다 B-E루프에서의 KVL 증폭률 입력과 출력의 전압이 180o 위상차가 난다 2007년 1학기 전기전자공학개론

트랜지스터의 바이어스회로 소신호 증폭-트랜지스터 증폭기의 사용목적 바이어스회로 없이는 왜곡 없는 소신호 증폭은 불가능 트랜지스터는 교류신호 중 음의 성분을 증폭할 수 없다 교류 신호+직류(바이어스) : 교류신호의 최소값을 양으로 만들어 증폭 이미터 안정화 바이어스:바이어스를 안정화 시키기 위하여 이미터 단자에 RE접속 고정 바이어스:하나의 전원으로 두 개의 전원기능을 대신할 수 있는 바이어스 회로 전압분배 바이어스:두 개의 저항으로 전원 VCC를 분배하여 베이스전원으로 사용 i C (max) I CQ 0V BQ B 음의 전류성분 증폭 불가능 Q점이 알맞게 선정되어 전 신호 증폭 IB(max)이상의 전류성분 I BQ V CC R 1 C + - E I BQ V CC R 1 2 C 테브닌 등가회로 + - E 2007년 1학기 전기전자공학개론

트랜지스터의 실제특성 이상적인 트랜지스터 실제 트랜지스터 트랜지스터의 종류 이상적인 트랜지스터 실제 트랜지스터 트랜지스터의 종류 범용 소신호 트랜지스터-일반적인 스위칭, 소신호 증폭용 전력 트랜지스터-작동기/스피커 구동, 금속 케이스는 컬렉터와 접속되어 방열판의 기능을 겸한다 2 4 6 8 10 12 14 70㎂ 60㎂ 50㎂ 40㎂ 30㎂ 20㎂ 10㎂ v CE (V) i C (㎃) B (㎂) 포화 영역 차단 영역 활성 영역 D = ce c Q 2007년 1학기 전기전자공학개론

전계효과 트랜지스터(FET) FET의 종류 단극성 트랜지스터 트랜지스터의 일종이나 내부 구조는 BJT 와 완전히 다르다. 일반적인 쌍극성 트랜지스터와는 달리 한 종류의 캐리어에 의해 전도가 일어난다 하나의 PN접합으로 구성된다 Gate Drain Source 의 3개의 전극으로 구성 이 세가지 단자에 외부 바이어스 전압을 적절히 가함으로서 PN접합부에 형성된 결핍층의 폭을 증감시키면 채널의 폭을 변화시킬 수 있으며 이에 따라 전류의 흐름을 제어할 수 있다 FET의 종류 Depletion 형 : 게이트에 전압을 가하지 않아도 드레인과 소스 사이에 전류가 흐른다 Enhancement 형 : 게이트에 전압을 가하지 않으면 드레인과 소스 사이에 전류가 흐르지 않는다. G D S 드레인 (Drain) 소스 (Source) 게이트 (Gate) N 채널 P Depletion형(N채널 FET) Enhancement형(P채널 FET) G D S IRF520 2007년 1학기 전기전자공학개론

FET의 작동특성 N채널 FET 게이트-소스간의 전압 VGS와 드레인 전류 ID 사이의 관계 : 비선형 특성 전자는 소스에서 드레인으로 흐른다 바이어스전압 VGG가 강해지면 결핍층이 늘어 소스와 드레인 사이의 폭이줄어든다 FET에서 PN접합의 기능은 단지 채널의 폭을 조절하는 역할을 수행 게이트-소스간의 전압 VGS와 드레인 전류 ID 사이의 관계 : 비선형 특성 (A) V GS I D DSS (off) (B) (C) (D) 핀치오프전압 2007년 1학기 전기전자공학개론

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