트랜지스터는 P형 반도체와 N형 반도체 3개를 접합하여 만든 능동소자이다.
BJT (바이폴라 정션 트랜지스터)로 불리운다.
트랜지스터의 역할은 전류를 차단 도통 시키는 원리로 전자회로에서의 ON/OFF 스위칭 역할 부터 전류의 증폭 역할 까지 다양하게 존재한다.
트랜지스터는 NPN형과 PNP형으로 나누어지며, 이들의 구분은 PN접합인 다이오드 방향을 보고 구분한다.
1. NPN형
N형-P형-N형 반도체 구조로 되어 있으며 컬렉터(C), 베이스(B), 이미터(E)로 구분되는 연결선을 가지고 있다.
베이스(B)에 인가되는 전류의 양으로 컬렉터(C)에서 이미터(E)로의 전류 흐름을 제어한다!
원리는 이게 사실 전부이다.
한 가지 더 중요하게 짚고 넘어가야 할 것은 컬렉터(C)에서 이미터(E)로 도통되어 전류가 흐를 때 다이오드 처럼 공핍층이 존재하는데 컬렉터와 이미터간의 전압차가 발생된다. 베이스 전압이 이미터의 전압보다 0.7V(다이오드 대표값) 이상 높아야 함을 알 수 있다.
이 전압차는 베이스 전류에 따라 달라지고, 트랜지스터에서 소비되는 손실 전력으로 열을 발생시키므로 고려해야할 중요한 요소이다.
2. PNP형
P형-N형-P형의 구조로 되어 있는 트랜지스터이다.
NPN형과 다른 점은 베이스와 이미터 사이의 다이오드의 방향과 전류가 이미터에서 컬렉터로 흐른다는 것이다.
NPN형과 다르게 이미터에서 컬렉터로 흐를 때 공핍전압이 존재하며, 이미터 전압이 베이스 전압보다 0.7V (다이오드 대표값) 높아야 한다 할수 있겠다.
3. 동작영역 (NPN형 기준)
전압 V BE 는 이미터 전위를 기준으로 베이스의 전압을 표시하는 것으로, V BE = V B (베이스전압) - V E(이미터 전압)를 의미한다.
전압 V BE가 0.7V 보다 크다면 V B (베이스 전압)이 V E(이미터 전압) 보다 0.7V 높다는 의미를 갖는다
(1) 차단 영역 (Cutoff Region)
V BE < 0.7V (베이스와 이미터의 전위차 = 베이스 전압 - 이미터 전압)라면 베이스와 이미터 사이에는 전류가 흐르지 않고 따라서 컬렉터에서 이미터로도 전류가 흐르지 않는다 ( 전류 차단 )! 이 영역을 트랜지스터의 차단 영역이라고 한다.
베이스와 이미터에 동일한 전압이 인가 된다고 했을 때, 이것을 제로 바이어스 조건이라 한다.
이는 두 단자에 인가되는 전위차가 0V 이기 때문이다.
V BE > 0.7V 조건이 되어야 NPN 트랜지스터가 도통하여 컬렉터에서 이미터로 전류가 흐른다.
V BE > 0.7V 조건에서도 트랜스지스터는 활성 영역과 포화 영역으로 나뉠 수 있다.
(2) 포화 영역 (Saturation Region)
V CE (컬렉터에서 이미터 전압)전압이 가장 작아 전력 손실이 작기 때문에 스위칭 역할에 사용되는 영역이다.
포화 영역에서 컬렉터와 이미터의 전압이 가장 작다는 것은 트랜지스터 자체에서 소모되는 전력 손실이 가장 작은 영역임을 의미하고 이를 LED 제어 회로를 예로 생각해본다.
위 회로도는 트랜지스터의 베이스 전류를 제어하여 LED를 ON/OFF 하는 회로이다.
OUTPUT이 ON이라면, LED의 흐르는 전류는 (5V- V F- V CE)/ R1 이 된다.
(3) 활성 영역 (Active Region)
활성영역에서는 전류증폭률 베타와 베이스 전류의 곱만큼 컬렉터에서 이미터로 베이스 전류에 선형적인 전류가 흐르게 되어 아날로그 증폭 회로에 사용된다.
(위 회로를 예시로) 활성 영역에서 LED를 ON/OFF 해도 기능상 문제가 없을 수 있지만, V CE가 포화 영역보다 높기 때문에 LED에 흐르는 전류가 포화 영역에서 LED에 흐르는 전류보다 낮다.
즉, 똑같은 전력을 소비하지만 활성 영역에서는 공급되는 전력이 LED와 트랜지스터 자체의 손실 전력으로 나누어 소비됨으로써, 트랜지스터에서 열이 발생 될 뿐 아니라, 덜 밝은 LED 성능을 지닌다.
* 이 처럼 트랜지스터의 스위칭 제어를 포화 영역에서 하면 효율 증가, 즉 손실 전력이 적기 때문에 스위칭 동작을 설계할 때는 포화 영역에서 동작하도록 설계한다.
4. 회로설계시 고려해야할 전기적 특성
- 최대 허용 컬렉터 전류 : 최대 허용 전류 확인
- 항복전압(Breakdown) : 최대 인가될 수 있는 전압에 충분한 여유가 있는지?
- 누설전류(Leakage Current) : 차단 영역에서의 누설 전류가 회로에 영향을 주는지?
- 포화 전압(V CE) : 포화 영역의 스위칭 용도로 사용할 시 이 포화 전압이 낮을수록 트랜지스터에서 소비하는 전력이 낮아 효율이 좋아진다.
- 전류 증폭도 IV 커브 : 증폭회로 설계시
- 스위칭 타이밍 : 사용 용도에 맞게 충분히 빠른가?
- 온도확인 : 트랜지스터에서 소모되는 전력에 의한 열 발생이 한도 내 들어오는지 확인
5. BJT 데이터시트 해석 (2N3904)
https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=1609
2N3904
*타입 : BENT LEAD , NPN TR 60V/0.2A/0.35W/300MHz
www.devicemart.co.kr
디바이스마트에서 판매중인 NPN형인 BJT 2N3904의 트랜지스터 데이터시트를 해석해보겠다.
(1) Absolute Maximum Ratings
늘 그렇듯, 최대 절대 정격을 의미하는 파트로 데이터시트의 꽃이라 할 수 있다.
- V CEO는 컬렉터와 이미터간 최대 전압을 표기하고 있다. 40V라고 한다.
- V CBO는 컬렉터와 베이스간에 최대 전압을 의미. 데이터시트 상으로는 60V
- V EBO 이미터와 베이스간의 최대 전압을 의미 (다이오드의 역방향 전압을 생각하면 된다.)
- 컬렉터 전류는 200mA를 최대로 두고 있다.
- 최소 최대 동작 온도는 -55도에서 150도.
(2) Electrical Characteristics
- V (BR)은 항복전압을 의미하며 컬렉터-이미터는 40V, 컬렉터-베이스는 60V, 이미터-베이스는 6V이다.
(여기서 이미터-베이스는 역방향 바이어스라 할 수 있겠다.)
- I BL과 I CEX는 동작하지 않을때 발생되는 전류라 볼수 있다.
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