Bipolar Junction Transistor (BJT) 트랜지스터 Bipolar Junction Transistor (BJT)

트랜지스터의 구조 트랜지스터는 서로 다른 타입의 반도체가 아래의 그림과 같이 샌드위치 형태를 이루고 있다. 바이어스 되지 않은 상태 (전원을 연결하지 않은 상태) 의 NPN 트랜지스터

트랜지스터 구성요소의 명칭 (Collector, Base, Emitter) Emitter-Base 다이오드 (줄여서 Emitter 다이오드) Emitter층: 도핑 농도가 높다. 다수 캐리어인 자유전자가 많다. Base층: 도핑 농도가 낮다. 다수 캐리어인 정공이 많지 않다. 층이 매우 얇다. Collector층: 중간정도의 도핑. 층이 두껍다.

바이어스된(전원이 연결된) 트랜지스터의 구조 아래의 그림은 NPN 트랜지스터의 세 층에 전원을 인가한 모습을 보여주고 있다. 베이스와 콜렉터에 각각 전원의 +극이 연결되어 있고 -극은 모두 이미터에 연결되어 있다. 즉, 두 전원 모두 이미터를 공동으로 사용하고 있다. 이런 형태의 바이어스를 공동 이미터 접속 방식(Common Emitter Connection)이라고 한다. Collector Emitter Base CE(Common Emitter)로 바이어스된 NPN 트랜지스터 베이스전원 콜렉터전원 베이스전류를 제어하기 위한(줄이기 위한) 저항 콜렉터전류를 제어하기 콜렉터 - 에미터 전압 베이스 에미터 전압 (0.7V)

CE Connection에서의 전자의 흐름 (여기서는 전류의 흐름의 반대 방향이 전자의 이동 방향으로 트랜지스터의 특성을 설명한다) ① 이미터 다이어드는 순방향으로, 콜랙터 다이어드는 역방향으로 바이어스 되어 있다. ② 따라서, 베이스 전압(VBB)이 공핍층의 전위장벽인 0.7V 를 넘게되면 전자가 이미터에서 베이스 영역으로 넘어간다. ③ 그러나, 베이스영역은 저 농도로 도핑되어 있고 또 그 두께도 아주 얇아서 이미터에서 넘어간 전자가 결합할 정공(Hole)이 많이 부족하다. 따라서 이미터에서 베이스로 넘어간 전자는 거의 대부분 살아 남아서 콜렉터 영역까지 도달한다(일부 극소수의 전자만 베이스의 정공과 결합). ④ 베이스 영역의 정공과 결합한 소수의 전자들은 베이스 단자를 통하여 나가서 베이스 저항 RB를 통하여 순환된다. ⑤ CE연결에서 콜렉터 영역은 역방향으로 바이어스 되어 있다. 즉 전원의 +극이 연결되어 전자를 당기고 있는 상황이다. ⑥ 따라서, 콜렉터 영역에 도달한 대부분의 전자들은 콜렉터층을 쉽게 통과하여 콜렉터 단자를 통하여 나간 후 콜렉터 저항 RC를 통하여 순환된다.

전류이득(Current Gain): 베타 베이스와 콜렉터로 흐르는 전자는 모두 이미터에서 출발한 전자 들이다. 키르히호프의 전류법칙(KCL)에 따라 다음 식이 성립한다. ( IE: 이미터 전류, IC: 콜렉터 전류, IB: 베이스 전류 ) 베이스 전류는 콜렉터 전류에 비하여 아주 작아서 1% 이하이다

예제:

CE 연결에서의 각 전압의 명칭

베이스 전류 예: 베이스를 통해 흐르는 전류는 다음과 같이 구할 수 있다. 왼쪽의 트랜지스터의 베이스 저항(100KΩ)을 흐르는 전류를 계산하라.

예(앞의 회로에서 계속): 왼쪽의 트랜지스터의 베타이득(Beta Gain)이 200이면 콜렉터 전류는 얼마인가?

콜렉터 전류 콜렉터는 이미터로부터 들어온 전자만 끌어 모을들 수 있기 때문에 VCE가 증가해도 전류는 더 이상 증가하지 않는다. 콜렉터 전압이 전위장벽을 초과하기만 하면 그 이후로는 콜렉터 전압이 항복전압에 이를 때까지 일정하다. 콜렉터 전압이 항복전압을 초과하면 트랜지스터는 파괴된다.

콜렉터 전압 VCC – ICRC – VCE = 0 IC VCE = VCC – ICRC 트랜지스터의 소비전력(Watt) 키르히호프의 전압법칙에 의하면, 전류고리를 일주하는 전압의 합은 0이다. 아래의 그림에서 키르히호프의 전압법칙을 적용하면 다음과 같은 식이 얻어진다. VCC – ICRC – VCE = 0 IC VCE = VCC – ICRC 트랜지스터의 소비전력(Watt) 트랜지스터의 소비전력은 콜렉터-이미터 전압 VCE에 그 사이를 지나는 전류 IC를 곱한 것과 같다. PD = VCE IC

트랜지스터 기본 회로의 여러 가지 모양 기본회로 접지를 표시한 회로 간략화 한 회로

예제: 옆의 회로에서 베타이득 (βdc)이 300이다. IB, IC, VCE, PD 를 계산하라.

? ? ? ※ 포화전류(최대전류) IB = (10V – 0.7V) / 50KΩ = 0.186mA RB: 50KΩ (βdc): 300 VCC RC 포화전류(최대전류) 오른쪽의 그림은 앞 페이지 예제의 회로에서 베이스 저항 RB를 50KΩ 으로 바꾼 회로이다. 이 회로를 사용하여 앞 페이지의 예제를 다시 풀면 다음과 같이 계산 될 것이다. IB = (10V – 0.7V) / 50KΩ = 0.186mA 이 회로에서 오른쪽 전류고리를 흐를 수 있는 최대 전류는 (10V / 2Ω) = 5mA이다. 따라서 위의 회로는 현재 포화전류영역에서 작동 중이다. ? IC = βdc IB = 300 (0.186mA) = 55.8mA ? VCE = VCC – ICRC = 10V – (55.8mA)(2KΩ) = –101.6V ? PD = VCE IC = (-101.6V)(55.8mA) = –5.7W ※ 위의 계산에서 콜렉터와 에미터 사이의 전압이 음수로서 예상치 않은 결과가 된 것을 볼 수 있다. 위의 회로에서 오른쪽 전류고리를 흐를 수 있는 최대 전압은 VCC와 RC에 의해서 결정되고 이 값은 (10V / 2KΩ = 5mA)이다. 따라서 위의 계산의 IC는 실제로는 최대전류인 5mA이다.

포화전류(최대전류) 계속 IB = 0.186mA, IC = 5mA, VCE = 0V, PD = 0W, RB: 50KΩ 5mA 포화전류(최대전류) 계속 위의 회로에서 콜렉터를 통해 흐를 수 있는 최대 전류는 VCC와 RC에 의하여 결정된다. 위의 회로의 경우 (10V / 2KΩ = 5mA)이다. 따라서 계산된 콜렉터 전류가 최대 전류를 초과하는 경우에는 실제로 흐르는 전류는 최대 전류이고 이 때 회로가 포화전류영역에서 작동한다고 말한다. 앞 페이지의 계산에서 실제 값은 다음과 같다. IB = 0.186mA, IC = 5mA, VCE = 0V, PD = 0W, 포화 영역에서의 전류이득은 다음과 같이 결정된다(별 의미 없음). Βdc = 5mA / 0.186mA = 27

베이스 바이어스 RC RB: 20KΩ VCC VBB 오른쪽 그림과 같이 베이스 단자에 저항이 연결된 형태(앞에서 보아 온)를 베이스 바이어스 회로라고 한다. 트랜지스터를 베이스 바이어스로 연결 했을 때 베이스 저항 RB와 베이스 전압 VBB 를 사용하여 콜렉터로 흐르는 전류를 조절 할 수 있다. 베이스 저항 RB가 콜렉터 저항 RC의 값보다 (βdc)배 이상 크지 않은 경우( RB ≤ RC βdc ) 포화전류가 발생할 수 있다. 반대로 트랜지스터가 포화전류영역에서 작동하게 하려면 RB를 RC의 10~20배 정도의 작은 값을 사용한다(주로 10배). 이런 특성으로 인해서 베이스 바이어스 회로는 ON/OFF 기능의 디지털 스위치에 많이 사용된다. 따라서, 트랜지스터를 디지털 스위치로 사용하려면(VCC = VBB 인 경우): ① 베이스 바이어스로 연결하고 ② RB를 RC의 10배 정도의 값으로 지정한다.

에미터 바이어스 VC VB 오른쪽 그림과 같이 저항이 에미터 단자쪽으로 연결된 회로를 에미터 바이어스 회로라고 한다. VE 에미터 바이어스 회로에서는 에미터 전류 IE가 베이스와 콜렉터로 ( 1 : βdc )의 비율로 흐른다. 따라서 대부분의 전류는 콜렉터로 흐르고 베이스로 흐르는 전류는 무시할 수 있다.

에미터 바이어스(계속) 앞 페이지에서 본 바와 같이 따라서 이미터 바이어스 회로에서는 에미터에서 유입된 전자만이 베이스와 콜렉터로 흐르게 되고 이 중 대부분이 콜렉터로 흐르므로 콜렉터 전류는 전류이득 βdc 의 크기에 크게 영향을 받지 않는 특성을 가지고 있다. 따라서, 트랜지스터의 특성에 크게 영향을 받지 않는 안정되고 예측된 상태를 유지할 수 있다. 에미터 바이어스 회로는 예측된 동작이 가능하기 때문에 정확한 콘트롤이 요구되는 증폭회로에 많이 사용된다.

전압분배 바이어스(VDB) 실제 사용되는 에미터 바이어스 회로에서 베이스에 인가되는 전압은 다음과 같은 형태로 연결되는 경우가 많다. 이런 형태의 에미터 바이어스 회로를 전압분배 바이어스 회로 라고 한다. 회로의 구조 상 VBB는 R2 사이의 전위차로 결정된다. 베이스로 흐르는 전류가 매우 작기 때문에 베이스와 연결된 부분의 저항은 무시해도 된다. VBB가 결정되면 회로는 위와 같이 에미터 바이어스 회로와 동일해 진다.

전압분배 바이어스(VDB) (계속)

예제: 다음 회로에서 VCE를 구하라. VC VBB VE IE 같은 회로

전압분배 바이어스회로(VDB)의 설계 트랜지스터회로의 요구 사항(VCE, IC) 을 만족시키기 위한 VDB회로의 적절한 저항 값들은 일반적으로 다음의 과정을 거쳐서 결정된다(VCC와 βdc 는 주어진다).

예제: 다음의 요구사항을 만족하는 전압분배 바이어스 회로를 설계하라.