전자회로실험 과탑 A+ 예비 보고서 (실험 4 BJT 기본 특성)

문서 내 토픽

1. NPN형 BJT의 동작 원리

NPN형 BJT는 이미터(emitter), 베이스(base), 컬렉터(collector)로 구성된 3단자 반도체 소자다. 이미터는 N형 반도체로 주로 전자를 공급하는 역할을 하고, 베이스는 얇은 P형 반도체로 전류 제어의 핵심 역할을 한다. 컬렉터는 N형 반도체로 이미터에서 방출된 전자를 모은다. 동작 원리는 베이스-이미터 전압(V_BE)과 컬렉터-이미터 전압(V_CE)에 따라 달라진다. 베이스에 약 0.7V(실리콘 기준)의 전압이 가해지면 베이스와 이미터 사이의 PN 접합이 순방향 바이어스가 되어 전자가 베이스로 이동한다. 이때 베이스 영역이 매우 얇아 대부분의 전자가 컬렉터로 흘러가게 되며, 결과적으로 이미터에서 컬렉터로 큰 전류가 흐른다.
2. NPN BJT의 동작 영역

NPN형 BJT의 네 가지 동작 영역은 Cutoff Region, Active Region, Saturation Region, Reverse Active Region이다. 각 동작 영역에서의 단자 전압 관계는 다음과 같다. 1. Cutoff Region (차단 영역): V_BE < 0.7V, V_BC < 0.7V, 전류가 거의 흐르지 않음. 2. Active Region (활성 영역): V_BE > 0.7V, V_BC < 0V, 베이스 전류에 의해 컬렉터 전류가 제어됨. 3. Saturation Region (포화 영역): V_BE > 0.7V, V_BC > 0V, 컬렉터 전압이 이미터 전압에 가깝게 내려가며 전류가 최대치로 흐름. 4. Reverse Active Region (역활성 영역): V_BE < 0V, V_BC > 0.7V, 전류가 반대 방향으로 흐르고 증폭 기능이 크게 저하됨.
3. NPN BJT의 얼리 효과

NPN BJT에서 Early effect는 콜렉터-베이스 전압이 증가함에 따라 콜렉터와 베이스 사이의 space charge 영역이 넓어지면서, 베이스 영역의 폭이 줄어드는 현상이다. 이로 인해 베이스에서 전자의 밀도가 감소하고, 콜렉터로 전달되는 전자의 양이 늘어나게 된다. 그 결과, 콜렉터 전류가 증가하며, 이는 기존의 이상적인 BJT 모델에서 예측한 것처럼 일정하지 않고 콜렉터-에미터 전압에 따라 달라지게 된다. 얼리 전압은 이러한 특성의 경사를 설명하는데 사용되며, 출력 저항과도 밀접한 관계가 있다.
4. 실험회로 1의 분석

실험회로 1([그림 4-14])에서 I_C-V_BE, I_C-V_CB, I_C-V_CE 사이의 관계를 분석하고, PSpice를 이용하여 그래프를 그렸다. 또한 PSpice 시뮬레이션을 통해 각 동작 영역에서의 alpha, beta 값을 구했다. 실험회로 1에서 R_B를 10kΩ으로 고정하고 V_sig에 6V의 DC 전압을 인가한 후, V_o 전압이 6V가 되는 R_C 값을 찾았다.
5. pnp형 BJT의 동작

pnp형 BJT는 npn형과 동작 원리가 동일하므로, PSpice 시뮬레이션 역시 npn형과 마찬가지로 전압 증가에 따라 동작 영역이 변화하고, 이에 따라 전류도 변화하는 양상을 보일 것을 쉽게 예상해볼 수 있다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. NPN형 BJT의 동작 원리

NPN형 BJT의 동작 원리는 다음과 같습니다. NPN형 BJT는 에미터(E), 베이스(B), 콜렉터(C)의 3개의 단자로 구성되어 있습니다. 에미터는 n형 반도체, 베이스는 p형 반도체, 콜렉터는 n형 반도체로 구성되어 있습니다. 에미터-베이스 접합은 순방향 바이어스, 베이스-콜렉터 접합은 역방향 바이어스 상태로 유지됩니다. 이때 에미터에서 주입된 다수캐리어(전자)는 베이스를 통과하여 콜렉터로 흐르게 됩니다. 이러한 동작 원리를 통해 NPN형 BJT는 증폭, 스위칭 등의 기능을 수행할 수 있습니다.
2. NPN BJT의 동작 영역

NPN BJT의 동작 영역은 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다. 첫째, 컷오프 영역(Cut-off Region)으로 베이스-에미터 전압이 낮아 베이스 전류가 거의 흐르지 않는 영역입니다. 둘째, 액티브 영역(Active Region)으로 베이스-에미터 전압이 일정 수준 이상이 되어 베이스 전류가 흐르고 콜렉터 전류가 증폭되는 영역입니다. 셋째, 포화 영역(Saturation Region)으로 베이스-에미터 전압이 높아져 베이스 전류가 증가하여 콜렉터 전류가 더 이상 증폭되지 않는 영역입니다. 이러한 동작 영역에 따라 NPN BJT는 증폭, 스위칭 등의 다양한 기능을 수행할 수 있습니다.
3. NPN BJT의 얼리 효과

NPN BJT의 얼리 효과는 베이스-콜렉터 접합의 역방향 바이어스 전압이 증가함에 따라 콜렉터 전류가 증가하는 현상을 말합니다. 이는 베이스-콜렉터 접합의 공핍층 폭이 줄어들어 콜렉터로 유입되는 전자의 수가 증가하기 때문입니다. 얼리 효과로 인해 NPN BJT의 출력 저항이 증가하고 전류 증폭률이 감소하는 단점이 있습니다. 하지만 이러한 단점을 보완하기 위해 에미터 면적을 증가시키거나 베이스 농도를 낮추는 등의 설계 기술이 발전하고 있습니다.
4. 실험회로 1의 분석

실험회로 1은 NPN BJT의 기본적인 증폭 회로입니다. 이 회로에서 베이스 전압(VB)을 변화시키면 베이스 전류(IB)가 변화하고, 이에 따라 콜렉터 전류(IC)가 증폭되어 변화하게 됩니다. 이를 통해 NPN BJT의 전류 증폭률(β)을 확인할 수 있습니다. 또한 콜렉터 전압(VC)을 측정하면 NPN BJT의 동작 영역을 파악할 수 있습니다. 예를 들어 VC가 일정한 경우 포화 영역, VC가 변화하는 경우 액티브 영역에 있다고 판단할 수 있습니다. 이러한 실험을 통해 NPN BJT의 동작 특성을 종합적으로 이해할 수 있습니다.
5. pnp형 BJT의 동작

pnp형 BJT의 동작 원리는 NPN형 BJT와 유사하지만 일부 차이가 있습니다. pnp형 BJT는 에미터가 p형 반도체, 베이스가 n형 반도체, 콜렉터가 p형 반도체로 구성되어 있습니다. 따라서 에미터-베이스 접합은 순방향 바이어스, 베이스-콜렉터 접합은 역방향 바이어스 상태로 유지됩니다. 이때 에미터에서 주입된 다수캐리어(정공)가 베이스를 통과하여 콜렉터로 흐르게 됩니다. pnp형 BJT는 NPN형 BJT와 달리 전압 증폭 회로에 주로 사용되며, 전류 증폭률은 NPN형 BJT에 비해 낮습니다. 하지만 pnp형 BJT는 NPN형 BJT와 함께 다양한 전자 회로에 활용되고 있습니다.