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트랜지스터: 두 판 사이의 차이

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[[파일File:Transistors-white.jpg|350px|thumb|여러 종류의 트랜지스터]]
'''트랜지스터''' ({{공학 용어llang|en|transistor}})는 [[증폭 회로|증폭 작용]]과 [[스위칭]] 역할을 하는 [[반도체소자]]이다. [[1948년]] 미국의 [[벨 연구소]]에서 [[월터 브래튼]], [[윌리엄 쇼클리]], [[존 바딘]]이 처음 만들었다. "변화하는 저항을 통한 신호 변환기(transfer of a signal through a varister 또는 transit resistor)"로부터 나온 조어이다.
 
트랜지스터는 현대 [[전자 기기]]를 구성하는 굉장히 흔한 기본 부품중 하나이다. 1947년 미국 물리학자 [[존 바딘]], [[월터 브래튼]], [[윌리엄 쇼클리]]에 의해 트랜지스터가 개발된 후 트랜지스터는 전자공학의 대혁변을 일으켰다. 트랜지스터의 출현으로 인해 더 작고 값싼 라디오, 계산기 컴퓨터 등이 개발되었다. 트랜지스터는 [[IEEE]] 마일스톤상 목록에 기재되어 있으며 트랜지스터 개발자는 1956년 [[노벨 물리학상]]을 수상했다.
 
트랜지스터는 크게 [[접합형 트랜지스터]](Bipolar Junction Transistors:BJTs)와 [[전계효과 트랜지스터]](Field Effect Transistors:FETs)로 구분된다. 트랜지스터는 보통 입력단, 공통단 그리고 출력단으로 구성되어 있다. 입력단과 공통단 사이에 전압 (FET)또는 전류(BJT)를 인가하면 공통단과 출력단 사이의 전기전도도가 증가하게 되고 이를 통해 그 들 사이의 전류흐름을 제어하게 된다. 아날로그, 디지털 회로에서 트랜지스터는 증폭기, 스위치, 논리회로, RAM 등을 구성하는 데 이용된다.
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* [[접합형 트랜지스터|BJT]] : 베이스 전류 입력 - 콜렉터/에미터 전류 출력 &#09; <math>{i_{\text{c}}} = \beta {i_{\text{b}}}</math>
* [[전계효과 트랜지스터|FET]] : 게이트 전압 입력 - 드레인/소스 전류 출력 &#09; <math>{i_{\text{d}}} = g_m {v_{\text{g}}}</math>
* [[연산 증폭기|연산 증폭기(op-amp)]] : 차등전압 입력 - 전압 출력 &#09; <math>{v_{\text{o}}} = - G (v_{\text{b}-} - v_{\text{b}+})</math>
 
입력이 전류라면 전압은 회로 따라 결정 되면 되는데, 결국 전압의 변화가 전류를 유발하므로 같은 말이다. 그러나 중요한 것은 증폭도라는 것은 일차함수관계(선형시스템)라는 것이다. 즉, 입력이 전류라면 전류의 몇 배가 된다는 뜻이다. 만약 일차함수의 관계가 아니라면 간단한 회로에 신호의 왜곡이 온다. 예를 들어 사인파의 신호를 넣으면 같은 모양의 사인파가 나오지 않는다.
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<math>v_{in}</math> ---> <math>i_b</math> ---> <math> \beta i_b</math> = <math>i_c</math> ---> <math>v_{out}</math>
 
[[파일File:Current-Voltage relationship of BJT.png|thumb|400px|(그림 1) BJT <math>I_C</math>, <math>U_{CE}</math> 그리고 <math>I_B</math> 관계.]]
 
증폭회로에서 일차함수의 관계를 갖는 것이 회로 구성이 편한데, BJT 경우는 일정 배율을 가지고 동작하는 것을 forward-active (또는 간단히 active) 모드(그림 1 참조)라고 한다. 이 모드는 입력전류에 대해 일정 비율로 출력 전류로 나타난다. BJT를 사용해서 증폭회로를 만들려면 이 모드를 사용해야 한다.
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입력 전류의 <math>\beta_F</math> 만큼 전류 증폭이 된다. 만약 출력 전압이 필요하면 저항등을 사용하여 출력 전류를 흘려 주면 오옴의 법칙에 따라 전압으로 변환 된다.
 
[[파일File:NPN common emitter.svg|thumb|left|130px|(그림 2) NPN common-emitter 간단회로 (자세한 [[:en:biasing|biasing]]는 넣지 않음).]]
 
그림 2의 증폭 예에서 입력 전류 <math>I_{B}</math>는 입력 전압 <math>V_{in}</math>에 의해 결정된다. 그리고 콜렉터에 흐르는 전류 <math>I_{C}</math>는 저항 <math>R_C</math>에 의해 <math>V_{out}</math>의 출력 전압으로 변환 된다.
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==== 신호 왜곡 ====
 
실제 소자에서 특성 상, 전류 증폭도 완벽하게 일차함수의 관계를 갖는 것은 아니면 전류가 흐르기 시작할 때와 출력 전류가 만들어진 소자의 능력을 벗어나면 증폭비가 왜곡되는 현상을 나타난다. (그림 2)의 경우, 입력 <math>V_{in}</math>와 <math>I_{\text{B}}</math> 변환 과정에서도 왜곡이 생긴다. cut-off 전압에 가까울 수록 왜곡이 커진다.
 
: <math>I_b = \frac{V_{in}}{R_{in}}</math>
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==== 논리의 전자적 표현과 BJT의 스위치 동작 상태의 관계 ====
 
[[파일Image:7400 Circuit.svg|thumb|300px|(그림 3) TTL NAND의 "totem-pole" 출력, 7400 내의 로직 한개.]]
 
BJT의 동작 시, 스위치 입장에서는 다음과 같은 상황을 논리회로에서 이용한다:
* 스위치 켜짐 (ON) : 포화모드(saturation mode) 상태로 출력 전류는 외부회로에 의해 제한
* 스위치 꺼짐 (OFF) : 차단모드(cut-off mode) 상태로 출력 전류 거의 0
 
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예를 들어 TTL의 논리표현의 경우
 
* 참 (true) : 전압 <math>V_{CC} [V]</math>
* 거짓 (false) : 전압 <math>0 [V]</math>
 
논리 참과 거짓을 출력으로 나타낼 때, 스위치를 사용 하여 표현 한다. 실제로 칩으로 구현하면 전압이 정확하게 <math>V_{CC} [V]</math>가 되지 않는다. [[BJT]] V3의 포화상태에서 전압 강하 현상 때문에 다소 전압이 떨어진다. 여기에 (그림 3)의 R3와 V5에 의해서 전압강하가 추가 된다. 마찬가지로 <math>0 [V]</math>도 0보다 다소 큰 전압이 나온다. (그림 3)의 V4에 의해서 전압이 높아진다. 편의 상 이렇게 표현한 것이다.
논리 0과 1의 허용 전압 범위는 논리게이트 별로 차이가 난다. TTL, CMOS 등의 로직의 형태에 따라서 허용 범위가 정해져 있다.
 
논리1의 전압 <math>V_{CC}</math>는 초기에 5V를 사용 하였다. 그러나 전압이 높으면 동작 속도와 전력 면에서 불리하다. 그래서 지금은 3.3V을 많이 사용하고 이 전압보다 낮은 전압을 사용하기 한다. 그러나 이 전압은 무한정 낮게 설정할 수는 없다. 기본적으로 BJT나 FET의 포화영역의 전압이 존재하기 때문이다. 그래서 각 상태의 전압 범위를 설정한 이유이기도 하다.
 
TTL 토템폴 구조의 경우, <math>V_{CC}[V]</math>와 <math>0[V]</math> 사이에 두개의 스위치 구조를 넣고
* 참을 표현할 때 : <math>V_{CC}</math>쪽의 스위치(그림3 V3)를 켜고, <math>0[V]</math>쪽(그림3 V4)은 끄고,
* 거짓을 표현할 때 : <math>V_{CC}</math>쪽의 스위치(그림3 V3)를 끄고, 아래의 스위치(그림3 V4)를 켜면
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==== BJT의 스위치 동작에서 전류 ====
 
논리의 표현이 전압을 기준으로 정해지면서 전류는 출력 다음의 회로에 의해 결정 된다. 출력에 어떤 회로가 붙어 있느냐에 따라서 전류가 변화 된다. 출력에 다른 로직이 붙는 것이 통상적 이지만 다양한 회로의 응용이 가능하다. 출력 전압은 정해진 대로데로 유지되면서 전류는 뒤에 붙어 있는 회로에 의해 결정 된다. 단지 논리에 따라 전압 만이 유지 될 뿐이다. 논리 0 출력에서 토템폴의 아래 스위치가 켜지면 다른 입력회로에 의해 오히려 전류가 출력 쪽으로 흘러 들어오는 것이 통상적인 현상이다. 전류 ''sink''([[회로 이론]]의 소스 참고)로 작동 되는 것이다. 스위치 트랜지스터가 전류를 흡수 함으로써, 전압으로 0V로 유지 시키는 방법이다.
논리 1이라면 반대로 출력 전압이 Vcc로 유지하기 위해, 토템폴의 위 스위치가 켜지면서 전원으로 부터 전류가 흘러 나오는 전류 ''source''로 작동 한다. 다음 입력이 같은 구조의 로직 이라면 오히려 전류는 0이면서 전압은 Vcc로 유지 된다. 이런 경우 오히려 논리1일 때 전류가 흐르지 않고 논리 0일 때 전류가 흐르는 것이 보통이다.
 
== 트랜지스터 회로 ==
===접합형 트랜지스터 바이어스 회로===
====Class A 증폭기의 바이어스 회로====
Class A 증폭기를 이용하여 대표적으로 3 가지 종류가 있다.
 
# 베이스 바이어스 (고정 바이어스)
# 전압 분배 바이어스
# 컬렉터 귀환 바이어스
 
=====1. 베이스 바이어스(고정 바이어스)=====
[[Image:Fixed bias.PNG|thumb|right|Fixed bias (Base bias)]]
 
이러한 바이어싱을 베이스 바이어스 혹은 고정 바이어스 라고 부른다. 오른쪽의 예시 그림을 보면, 단일의 전력원 (베터리)이 콜렉터와 베이스에 사용된다.
 
오른쪽 회로에서는
 
:V<sub>cc</sub> = I<sub>B</sub>R<sub>B</sub> + V<sub>be</sub>
 
그러므로,
 
:I<sub>B</sub> = (V<sub>cc</sub> - V<sub>be</sub>)/R<sub>B</sub>
 
V<sub>cc</sub>가 R<sub>B</sub>의 값에 따라 고정되어 있으므로, 베이스 전류 I<sub>B</sub>는 변하지 않는다.
 
그래서 이러한 바이어스 종류를 고정 바이어스라고 부른다.
 
 
또한 이 회로에서는
 
:V<sub>cc</sub> = I<sub>C</sub>R<sub>C</sub> + V<sub>ce</sub>
 
이므로,
 
:V<sub>ce</sub> = V<sub>cc</sub> - I<sub>C</sub>R<sub>C</sub>
 
이다.
 
공통 이미터 전류 이득은 회로를 구성할 때 중요한 요소중 하나이다. (각 트랜지스터의 데이터 시트에 나와있다.) 여기서는 β라고 나타냈다.
 
:I<sub>C</sub> = βI<sub>B</sub>
 
이기 때문에 I<sub>C</sub>도 구할 수 있다. 같은 방법으로 작동지점 (V<sub>ce</sub>,I<sub>C</sub>)도 설정 될 수 있다.
 
'''장점:'''
* 베이스 저항 (R<sub>B</sub>)을 바꿈으로써 active region(작동 영역)안에서는 작동 지점을 얼마든지 바꿀 수 있다는 장점이 있다.
* 소자 몇개로 구성할 수 있다.
 
'''단점:'''
* 콜렉터 전류는 온도나 전원의 공급 전압에 의해 바뀌므로 일정하지 않게 된다. 그러므로 작동 지점이 불안정하게 된다.
* V<sub>be</sub>가 변하면 I<sub>B</sub>도 같이 변하게 된다 그러므로 I<sub>E</sub>도 다같이 변하게 된다. 이것이 결국 이득(gain)값을 변하게 한다.
* 트랜지스터가 다른걸로 바뀐다면 β값의 변화가 크다. 이 변화가 작동지점을 많이 바꾼다.
 
'''용도:'''
위에 나와있는 단점들 때문에, 고정 바이어스는 선형 회로에서 잘 사용되지 않는다.(트랜지스터를 전류원으로 쓰는 회로 등) 그 대신, 트랜지스터가 스위치로 사용되는 회로에 자주 사용된다.
 
 
=====2. 전압 분배 바이어스=====
'''[[File:전압 분배 바이어스.JPG|thumb|전압 분배 바이어스]]'''
전압 분배라는 것은 외부 저항 R<sub>1</sub> 과 R<sub>2</sub> 를 사용하는 것이다. 저항 R<sub>2</sub>에 걸리는 전압은 이미터 접합에서 순방향 바이어스 이다. 저항 R<sub>1</sub> 과 R<sub>2</sub>를 잘 선택함에 따라, 트랜지스터의 작동점을 β에 무관하게 만들 수 있다. 이 회로에서, 전압 분배기는 베이스 전압을 베이스 전류에 관계없이 고정시키는 역할을 한다. 하지만 베이스 전압이 고정되있어도 컬렉터 전류는 온도 등에 따라 바뀌게 된다. 그러므로 Q-point를 안정화 시키기 위해 이미터 저항을 추가한다.(옆의 회로에도 마찬가지이다)
 
 
 
이 회로에서 베이스 전압은 다음과 같이 주어진다:
 
<math>V_B = \ </math> <math>R_2 \ </math> 사이의 전압 <math>= V_{cc} \frac{R_2}{(R_1+R_2)} - I_B \frac{R_1 R_2}{(R_1+R_2)}</math><br />
:<math>\approx V_{cc} \frac{R_2}{(R_1+R_2)}</math> (<math>I_B << I_2 = V_B / R_2 \ </math> 이라 가정)
 
또한 <math>V_B = V_{be} + I_ER_E \ </math> 이다.
 
이 회로에 대하여
 
::<math> I_B =\frac
{
\frac
{V_{CC}}{1+R_1/R_2}
- V_{be}
}
{( \beta + 1)R_E + R_1 \parallel R_2 } .</math>
 
'''장점:'''
* 다른 회로들과 다르게, DC 전압만이 필요하다.
* 작동점이 β의 변화에 거의 무관하다.
* 작동점이 온도의 변화에 거의 무관하다.
 
'''단점:'''
*이 회로에서, I<sub>C</sub>를 β에 무관하게 유지시키기 위해서는 다음 조건을 충족시켜야 한다:
 
::<math>I_C = \beta I_B = \beta \frac
{
\frac
{V_{CC}}{1+R_1/R_2}
- V_{be}
}
{( \beta + 1)R_E + R_1 \parallel R_2 } \approx \frac
{ \frac {V_{CC}}{1+R_1/R_2}- V_{be}}
{R_E} , </math>
 
'''용도:'''
위에 나온 이 회로의 안정성과 장점 때문에 다양한 선형회로에 사용된다.
 
====== 커패시터가 추가된 전압 분배 바이어스 ======
[[Image:Voltage divider with cap.PNG|thumb|right|커패시터가 포함된 전압 분배 회로]]
위에서 언급된 일반적인 전압 분배 회로는 몇가지 단점을 가지고 있다. 가장 큰 문제로는 저항에 의해 생긴 AC 피드백인 이득(gain)값을 낮춘다는 것이다. 이걸 해결하기 위해 저항 R<sub>E</sub>과 병렬로 커패시터 (C<sub>E</sub>)를 연결하는 방법이 있따.
 
=====3. 컬렉터 귀환 바이어스=====
[[Image:Collector to base bias.PNG|thumb|right|Collector-to-base bias]]
이 방법은 열 폭주(thermal runaway)를 막고 작동지점을 안정성을 높이기 위해 쓰는 방법이다. 이 바이어스 방법에는 베이스 저항 <math>R_{\text{B}}</math> 이 DC 전압원 <math>V_{\text{cc}}</math>에 연결되는 대신 컬렉터에 연결된다. 그러므로 열 폭주가 저항 <math>R_{\text{C}}</math> 사이의 전압을 강하시킨다.
 
키르히호프의 법칙에 의해, 베이스 저항 <math>R_{\text{b}}</math> 에 걸린 전압 <math>V_{\text{R}_{\text{b}}}</math> 은
 
:<math>V_{\text{R}_{\text{b}}} = V_{\text{cc}} \, - \, \mathord{\overbrace{(I_{\text{c}} + I_{\text{b}}) R_{\text{c}}}^{\text{Voltage drop across } R_{\text{c}}}} \, - \, \mathord{\overbrace{V_{\text{be}}}^{\text{Voltage at base}}}.</math> 가 된다.
 
Ebers-Moll 모델에 의하면, <math>I_{\text{c}} = \beta I_{\text{b}}</math>, 그러므로
 
:<math>V_{\text{R}_{\text{b}}} = V_{\text{cc}} - (\overbrace{\beta I_{\text{b}}}^{I_{\text{c}}} + I_{\text{b}}) R_{\text{c}} - V_{\text{be}} = V_{\text{cc}} - I_{\text{b}} (\beta + 1) R_{\text{c}} - V_{\text{be}}.</math> 이다.
 
옴의 법칙에 의해, 베이스 전류 <math>I_{\text{b}} = V_{\text{R}_{\text{b}}} / R_{\text{b}}</math>, 그러므로
 
:<math>\overbrace{I_{\text{b}} R_{\text{b}}}^{V_{\text{R}_{\text{b}}}} = V_{\text{cc}} - I_{\text{b}} (\beta + 1) R_{\text{c}} - V_{\text{be}}.</math>
 
그래서 베이스 전류 <math>I_{\text{b}}</math> 는
 
:<math>I_{\text{b}} = \frac{ V_{\text{cc}} - V_{\text{be}} }{ R_{\text{b}} + ( \beta + 1 ) R_{\text{c}} }</math>
 
'''장점:'''
*β와 온도변화에도 작동점이 안정적이다. (i.e. 트랜지스터의 교체 따위에도 안정적)
 
'''단점:'''
*이 회로에서, <math>I_{\text{c}}</math> 를 <math>\beta</math> 에 대해 의존적이지 않게 유지시키려면, 다음 조건을 만족시켜야 한다:
 
::<math>I_{\text{c}} = \beta I_{\text{b}} = \frac { \beta (V_{\text{cc}} - V_{\text{be}})}{R_{\text{b}} + R_{\text{c}} + \beta R_{\text{c}}} \approx \frac{(V_{\text{cc}} - V_{\text{be}})}{R_{\text{c}}}</math>
 
아래와 같은 경우에는
 
::<math>\beta R_{\text{c}} \gg R_{\text{b}}.</math> 이다.
 
== 트랜지스터의 종류 ==
줄 244 ⟶ 106:
* [[집적 회로]] - [[증폭 회로]] - [[논리 회로]]
 
== 외부 연결 ==
{{commonscat|Transistors}}
* [http://blog.naver.com/dolicom/10083875471 BJT 특성 이해] - 트랜지스터 기본이해 및 해석
줄 253 ⟶ 115:
[[분류:전자 부품]]
[[분류:미국의 발명품]]
 
{{Link GA|de}}
원본 주소 "https://ko.wikipedia.org/wiki/트랜지스터"