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1. 트랜지스터의 동작 원리와 특성
1.1. 트랜지스터의 기본 구조
트랜지스터의 기본 구조는 다음과 같다. 트랜지스터는 크게 npn 트랜지스터와 pnp 트랜지스터의 두 종류가 있다. npn 트랜지스터는 n형 반도체, p형 반도체, n형 반도체가 차례로 접합된 구조이고, pnp 트랜지스터는 p형 반도체, n형 반도체, p형 반도체가 차례로 접합된 구조이다.
트랜지스터는 3개의 단자로 구성되어 있는데, 베이스(base), 컬렉터(collector), 이미터(emitter)가 그것이다. npn 트랜지스터에서 p형 반도체가 베이스 단자가 되고, 두 개의 n형 반도체가 컬렉터 단자와 이미터 단자가 된다. pnp 트랜지스터에서는 n형 반도체가 베이스 단자가 되고, 두 개의 p형 반도체가 컬렉터 단자와 이미터 단자가 된다. 이때 중요한 점은 pnp 타입과 npn 타입에서 전류의 방향이 다르다는 것이다. 트랜지스터의 전원 연결은 이미터 쪽에 그려진 화살표 방향으로 전류의 방향이 되도록 연결한다.
트랜지스터의 기본 구조는 PN 접합이 양쪽에 있는 형태이므로, 다이오드에서와 같이 접합면에서 전자의 확산에 의해 공핍층이 생기고 결과로 공핍층 전기장이 생겨 더 이상의 전자의 확산을 막게 된다. 마이너스 전압 측을 접지로, 플러스 전압 측을 전원으로 하는 회로의 경우, npn타입 쪽이 사용하기 쉽다.
트랜지스터의 핵심적인 기능은 전류증폭기(current amplifier)로서의 기능이다. 즉 미약한 입력신호 전류를 증폭시켜 큰 출력신호 전류가 되도록 하는 기능을 갖는 소자가 트랜지스터이다. 디지털 회로에서는 ON 아니면 OFF의 2차 신호를 취급하기 때문에 트랜지스터의 증폭 특성에 대한 차이는 별로 문제가 되지 않으며 주로 아날로그 회로에서 많은 종류의 트랜지스터가 쓰인다.
1.2. 트랜지스터의 동작 모드
트랜지스터는 크게 세 가지 동작 모드, 즉 차단 모드(Cut-off 모드), 선형 동작 모드(Active 모드), 포화 모드(Saturation 모드)로 구분된다.
차단 모드(Cut-off 모드)는 트랜지스터의 베이스-이미터 접합에 전압이 인가되지 않아 트랜지스터가 완전히 차단되어 있는 상태이다. 이 경우 트랜지스터의 컬렉터-이미터 사이의 전류가 거의 흐르지 않아 트랜지스터가 전류를 제어할 수 없는 상태이다. 즉, 트랜지스터가 스위치가 꺼진 상태라고 할 수 있다.
선형 동작 모드(Active 모드)는 트랜지스터의 베이스-이미터 접합에 순방향 전압이 인가되어 트랜지스터가 도통되는 상태이다. 이 경우 트랜지스터의 컬렉터-이미터 사이의 전류가 베이스 전류에 비례하여 증폭된 상태로 흐르게 되어 트랜지스터가 증폭기로 동작할 수 있게 된다. 따라서 입력 신호에 따라 출력 신호가 증폭되어 나타난다.
포화 모드(Saturation 모드)는 트랜지스터의 베이스-이미터 접합에 큰 전압이 인가되어 트랜지스터가 완전히 도통되는 상태이다. 이 경우 트랜지스터의 컬렉터-이미터 사이의 전류가 최대값으로 흐르게 되며, 트랜지스터가 스위치로 동작할 수 있게 된다. 즉, 트랜지스터가 ON 상태에 있다고 할 수 있다.
이처럼 트랜지스터는 동작 모드에 따라 증폭기, 스위치 등 다양한 기능을 수행할 수 있다. 따라서 트랜지스터의 동작 모드를 정확히 이해하는 것은 트랜지스터 회로 설계에 매우 중요하다.
1.3. 트랜지스터의 전류 증폭 특성
트랜지스터의 전류 증폭 특성은 트랜지스터의 가장 핵심적인 기능이다. 트랜지스터는 미약한 입력신호 전류를 증폭시켜 큰 출력신호 전류가 되도록 하는 기능을 갖는 소자이다. 트랜지스터를 이용하여 회로를 적절히 구성하면 베이스 전류를 입력전류로 하고, 컬렉터 전류를 출력전류로 할 때 이들 사이에는 전류 증폭률 β의 관계가 성립하게 된다.
이를 수식으로 나타내면 다음과 같다. 트랜지스터의 입력 전압인 VBE가 변화하면 베이스 전류 IB도 변화하게 된다. 이때 베이스 전류 변화량 ΔIBI는 컬렉터 전류의 변화량 ΔIC를 만들어 내게 된다. 이는 옴의 법칙에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.
ΔVC = RC × ΔIC
여기서 RC는 컬렉터 저항이다. 즉, 베이스 전류의 변화량 ΔIB가 컬렉터 전류의 변화량 ΔIC를 만들어내고, 이 컬렉터 전류의 변화량 ΔIC가 컬렉터 저항 RC를 통해 출력 전압 ΔVC를 발생시키는 것이다.
이때 트랜지스터의 전류 증폭률 β는 ΔIC/ΔIB로 정의되며, 일반적으로 β는 50~200 사이의 값을 가진다. 즉, 베이스 전류의 변화량에 비해 컬렉터 전류의 변화량이 β배만큼 크게 증폭된다는 것을 의미한다.
이처럼 트랜지스터는 전류 증폭기로서의 역할을 수행할 수 있다. 작은 입력 전류를 증폭시켜 큰 출력 전류를 얻을 수 있으므로, 아날로그 회로에서 널리 사용되고 있다. 특히 증폭기, 스위칭 회로, 전원 공급기 등 다양한 분야에 트랜지스터가 활용되고...
