[첨단 헬로티]

트랜지스터의 구성  

접합 트랜지스터는 [그림 1]과 같이 구성돼 있다. 얇은 n형 반도체를 p형 반도체 사이에 끼워 넣은 것을 p-n-p형 트랜지스터라고 하며, 얇은 p형 반도체를 n형 반도체 사이에 끼워 넣는 것을 n-p-n형 트랜지스터라고 한다. p와 n, 정공과 전자를 바꿔 놓으면 p-n-p이건, n-p-n이건 트랜지스터로써의 동작은 똑같은 것이 된다. 

 

▲ 그림 1. 접합형 트랜지스터의 구조와 기호

[그림 (a)]는 p-n-p형 트랜지스터의 모형이고, 양쪽 p형 전극을 붙여, 한쪽을 이미터(Emitter: E), 다른 쪽을 컬렉터(Collector: C)라고 부른다. 그리고 중앙의 얇은 n형은 베이스(Base: B)라고 부른다. 

[그림 (b)]는 n-p-n형의 구성을 나타낸 것이다. 또한 트랜지스터 각 그림 기호의 전극 옆에는 일반적으로 문자 기호 E, C, B를 덧붙여 써넣는다. 

트랜지스터의 동작 원리 

[그림 2]와 같이 베이스-컬렉터 간에는 역방향 전압을 가해도 전류는 흐르지 않는다. 그러나 이 상태에서 이미터-베이스간에 별개의 순방향 전압을 가하면 컬렉터에서전류가 흐르게 된다[그림 3].

▲ 그림 2. 베이스-컬렉터간에 역방향 전압을 가했을 경우

▲ 그림 3. 그림 2의 이미터-베이스간에 순방향 전압을 가했을 경우

이것은 이미터-베이스간에 순방향 전압 VEb을 걸어줌으로써 이미터인 p형 영역의 정공이 베이스인 n형 영역에 주입된다. 

정공의 일부는 베이스 영역의 전자와 결합하지만 대부분 베이스-컬렉터의 접합면을 넘어서 컬렉터 영역으로 들어간다. 컬렉터에는 음의 전압이 가해 있으므로 정공은 더욱 끌려, 컬렉터 전류 IC가 흐르게 되는 것이다. 

동작을 수치적으로 생각해 보면 

현재 이미터로부터 베이스에 주입된 전류(정공)를 ?IE라고 하면 베이스 전류 ?IB 와 컬렉터 전류 ?IC의 관계는 다음과 같이 성립된다. 

?IE = ?IB + ?IC

여기서 ?IB는 극히 미소하므로, ?IC와 ?IE의 비는 ?IC /?IE = 0.9~0.999 정도의 크기가 된다. 

트랜지스터의 증폭 작용을 어떻게 생각하는가?

트랜지스터의 ?IC /?IE의 값을 조사해 보면 1보다 작은 데도 증폭 작용이 일어나는 이유는 이유는 무엇일까? 이것은 [그림 4]처럼 이미터-베이스간에는 순방향이므로 저항이 작으나, 컬렉터측은 벽방향이므로 저항은 대단히 커서 큰 전압비가 된다. 즉, 전압 이득을 얻을 수 있다.

▲ 그림 4. 단자간에 임피던스를 비교한다

전류증폭률 

컬렉터 전류 ?IC에 대한 베이스 전류 ?IB의 비를 라 한다(컬렉터 전류 ?IC가 흘렀을 때의 베이스 전류가 ?IB로 한다). 

가량 현재 ?IC / ?IE = 0.97 이라고 하면, β=0.97(1-0.97) ? 32 이것은 베이스 전류에 ?IB의 변화가 있으면 컬렉터 전류는 ?IB의 32배 변화가 따른다는 뜻이며, 이 β를 전류증폭률이라 한다. 

트랜지스터의 정특성이란 

트랜지스터를 사용할 경우, 트랜지스터의 각 전극에 가해주는 전압, 흐르는 전류의 관계를 명확하게 알고 있어야 한다. 이와 같은 트랜지스터의 성질을 명확하게 해놓은 것을 트랜지스터의 정특성이라고 한다. [그림 5]와 같은 회로로 정특성을 측정할 수 있다. 

▲ 그림 5. 정특성 측정의 회로

그 한 예로, [그림 6]은 이미터를 기준으로(이미 접지 회로라고 한다) 베이스와 컬렉터에 전원을 접속한 것이며, 일반적으로 증폭회로에 흔히 사용된다. 

▲ 그림 6. 트랜지스터의 정특성 (2SC733, 이미터 접지)

VR=50[kΩ], VBE ? 0~0.7[V], VCE ? 0~15[V]로 측정한다. 

이미터 집지의 정특성 

[그림 6]의 그래프에서 다음과 같은 것을 알 수 있다. 

① ‌컬렉터 전류 IC는 컬렉터-이미터간 전압 VEC에 큰영향을 받지 않으나, 베이스 전류 IB에 의해 크게 변한다. 

② ‌VCE가 작아지면 IC는 급격히 감소하고, 또 IB는 0.6 부근을 중심으로 VBE에 의해 크게 변화한다.(제 3상한)

③ ‌IB 와 IC의 관계는 거의 비례하지만 [그림 6]의 그래프에서는 베이스 전류 에 대해 컬렉터 전류는 100배 이상이 되는 것을 알 수 있다. 이 IB와 IC의 비(IC / IB = hFE)를 직류 전류 증폭률이라 한다. 

트랜지스터의 최대 정격값 

트랜지스터를 안전하게 사용하기 위해 전류, 전압, 전력, 온도 등의 정해진 최대 정격값을 넘게 해서는 안된다. 최대 정격은 단독으로도 이 값을 넘게 되면 트랜지스터가 파괴되는 것을 나타낸다. 트랜지스터의 형명을 표시하는 방법(예, 2SC733A)과 규격표를 보는 방법은 [표 1]과 같다. 

▲ 표 1. 트랜지스터의 형명 표시법 (예, 2SC733A)과 규격표 보는법

최대 컬렉터 손실이란

트랜지스터를 동작시켜 베이스 전류 IB, 컬렉터 전류 IC가 흐르면 입력측과 출력측에 각각 전력이 소모된다. 그러나 입력측의 소모 전력은 출력측의 소비 전력에 비하면 대단히 적기 때문에, 일반적으로 트랜지스터의소비 전력이라고 하면 출력측의 소비전력 PC을 말한다. 

즉, 트랜지스터의 소비전력은 컬렉터에 소비되는 전력이라고 볼 수 있으므로 이것을 켈렉터 손실 PC라고 부른다. 

컬렉터 손실 PC는 PC = VCE × IC 로 표시된다. 트랜지스터의 온도 상승은 주로 이 PC에 의한 것이다. 규격표에 표시되어 있는 Tj는 접합부 온도이며, 주위의 온도가 아니므로 잘못 생각하지 않도록 주의한다. 

[그림 7]의 그래프의 파선처럼 곡선을 그리므로 그림의 적색 영역이 트랜지스터를 안전하게 사용할 수 있는 영역이 된다. 최대 접합부 온도 Tjmax 로 될 때의 컬렉터 손실 PC를 최대 컬렉터 손실 pcmax이라 한다. 이 pcmax을 넘게 되면 트랜지스터가 파괴돼 버린다. 전력 트랜지스터를 동작시킬 경우, 최대 컬렉터 손실보다 작은 범위에서 동작이 되도록 해야 한다. 

▲ 그림 7. 트랜지스터의 안전 사용 영역

컬렉터 차단 전류란

[그림 8]과 같이 이미터 개방(IE = 0)시에 약간 흐르는 컬렉터 전류가 흐른다. 이 전류를 컬렉터 차단 전류라고 하며, ICBO로 나타낸다. ICBO는 다이오드의 역방향 전류에 해당되는 것으로, 실리콘 트랜지스터에서는 일반적으로 0.1μA 이하로 미소한 전류이지만 트랜지스터의 동작에 나쁜 영향을 준다. 

▲ 그림 8. 측정회로

이 값을 10℃의 온도 상승에서 원래 값의 약 2배가 되는 특성을 가진다. 또 베이스를 개방했을 때의 컬렉터 차단 전류는 ICEO로 나타낸다. 

* 전자기술이 반도체의 기초지식과 기술 이해를 돕기 위해 성안당의 <전자공학입문>을 연재합니다. <편집자 주>