AReS

PART7반도체 기본회로

실험 6 :트랜지스터 특성

이론

Bipolar transistor는 두 개의 pn 접합을 n이나 p 영역이 공유되도록 붙여 놓은 것으로, 그 붙여 놓은 모양에 따라 pnp형과 npn형이 있다. 그림 7-22 (a)는 pnp형 트랜지스터의 도식적인 그림이다. 이 두가지 transistor의 동작원리는 비슷하므로 여기서는 pnp형에 대해 설명을 하기로 한다. Transistor의 가장 기본적인 기능은 증폭작용인데, 이 증폭작용을 하기 위해서는 transistor에 적당한 바이어스 전압을 걸어줘야 한다. 증폭작용을 위한 바이어스는 두 pn 접합 중 하나에는 순방향 전압, 다른 하나에는 역방향 전압을 걸게 된다. 이 때 pnp형 transistor에서 순방향 전압이 걸린 접합의 p 영역을 에미터 (emitter), 역방향 전압이 걸린 접합의 p 영역을 컬렉터 (collector), 그리고 가운데 n 영역을 베이스 (base)라고 부른다. 그림 7-22 (b)에 pnp형 트랜지스터의 회로기호가 있는데, npn 형의 경우에는 화살표의 방향을 반대로 하면 된다.

fig7-22

그림 7-22pnp 트랜지스터의 구조와 기호

fig7-23

그림 7-23npn 트랜지스터의 구조와 기호

Emitter와 base 사이에 순방향 전압을 걸면 다이오드에서와 마찬가지로, p형에서 n형으로는 정공이 주입되고 또 n형에서 p형으로는 전자가 주입된다. pnp형 transistor에서는 p형에서 n형으로 주입된 정공이 주된 역할을 하게 된다. 보통의 다이오드에서는 n 영역에 들어온 정공은 n 영역에 많이 있는 전자와 재결합하여 소모되게 된다. 하지만 transistor의 base 영역의 두께는 매우 얇으므로, 대부분의 정공은 재결합되기 전에 collector 접합에 도달하게 된다. 역방향 전압이 걸려있는 collector 접합에는 강한 전기장이 걸려있게 되고, 이 전기장은 collector 접합에 들어온 정공을 collector 영역으로 이동하게 만든다. 결국 pnp형 transistor에서 emitter에서 방출한 정공은 대부분 collector에서 모아지게 된다.

이를 전류의 크기로 다시 얘기하면 다음과 같다. 그림 7-24에서 emitter 전류 I_E는 emitter 접합에 걸린 순방향 전압에 의해 주입된 정공과 전자에 의해 형성되는데, pnp 형의 경우에는 정공에 의한 전류가 훨씬 크도록 transistor가 설계된다. 그런데 이 정공의 대부분이 collector 접합을 지나가게 되므로, 결국 collector 전류 I_C는 I_E와 비슷한 크기를 갖게 된다. 실제로

$I _{C} ~ APPROX ~(0.95 SIM 0.99)``I _{E}$
(1)

이 된다. Kirchhoff의 node 법칙에 따라

$I _{E} ~=~I _{B} ``+``I _{C} ``$
(2)

이므로, base 전류 I_B = I_E - I_C는 I_E나 I_C에 비해 작은 값인데, base에서 emitter로 주입된 전자와 emitter에서 base로 주입된 정공 중 base 영역에서 재결합한 작은 비율의 정공에 의해 형성된다. 따라서, collector 전류와 base 전류의 비

$beta ~=~ {I _{C}} over {I _{B}} ~=~ {(0.95 SIM 0.99)I _{E}} over {(0.01 SIM 0.05)I _{E}}$
(3)

는 꽤 큰 값을 갖게 되는데, 이것이 transistor가 전류 증폭을 할 수 있는 이유이다

fig7-24

그림 7-24Transistor bias 회로와 전류

트랜지스터의 접지법

트랜지스터를 증폭회로에 사용할 때, 두 개의 입력 전극과 두 개의 출력 전극이 필요한데, 트랜지스터에는 세 개의 전극 밖에 없으므로 세 개 중 하나의 전극을 공통으로 사용해야 한다. 어떤 전극을 공통으로 하느냐에 따라 base 접지 (common-base 혹은 grounded-base) 방식, emitter 접지 방식과 collector 접지 방식이 있다. 그림 7-24은 base 접지 방식이고, 그림 7-25는 emitter 접지 방식이다.

fig7-25

그림 7-25Emitter 접지 방식

Emitter 접지 방식은 전류와 전압을 모두 증폭할 수 있으므로 가장 보편적으로 쓰인다.

이미터 접지 특성곡선

트랜지스터의 전류-전압 특성은 입력 특성곡선과 출력 특성곡선이 있는데, 보통 특성곡선이라 하면 출력특성 곡선을 의미한다. 이미터 접지에서 입력 특성곡선은 입력전류 I_B와 입력전압 V_BE의 관계를 말하는데, 보통 다이오드의 특성 곡선과 비슷하며 출력 쪽 전압 VCE에 따라 약간 달라진다.

출력 특성곡선은 출력전류 I_C와 출력전압 VCE의 관계를 말하는데, 작은 V_CE에서는 V_CE의 증가에 따라 I_C도 증가한다. 하지만, 어느 정도 이상의 V_CE 값을 넘으면 증가속도가 아주 둔화되게 되는데, 이를 포화영역(saturation region)이라고 부른다. 작은 V_CE에서는 V_CE의 증가에 따라 collector 쪽으로 모아지는 정공의 양이 증가한다. 하지만, 일단 emitter에서 넘어오는 정공의 대부분이 collector에 모아지게 되면, VCE가 증가해도 collector 쪽으로 모아지는 정공의 양이 증가하지 않게 된다.

같은 V_CE 값에서도 I_C의 값은 emitter 영역에서 넘어오는 정공의 숫자에 의존을 하기 때문에, V_BE 혹은 I_B의 값에 따라 달라진다. 따라서 그림 7-26에서와 같이 I_B의 값에 따라 여러 개의 출력 특성 곡선이 그려지게 된다.

fig7-26

그림 7-26Emitter 접지 방식에서의 출력 특성곡선

실험 과정

fig7-27

그림 7-27NPN 이미터 접지 특성 측정

1. M07 보드의 block c를 사용하여 그림 7-27과 같이 결선한다.
- TR1은 NPN 타입이고, TR2는 PNP 타입이다.

2. 입력전원을 +15V로 한다. VR2는 TR1의 베이스 전류를 조절하고, VR3는 컬렉터와 이미터 사이의 전압을 공급한다.

3. VR3를 중간정도로 위치시키고, VR2를 천천히 오른쪽으로 돌려 R6에 걸리는 전압이 0.1V정도 되도록 DC 전압계로 측정한다.

4. 여기서 베이스 전류는 I= V_R6 / _R6 = 0.1V / 10k Ω Ω =10uA로 계산된다.

5. TR1의 C와 E사이에 DC 전압계를 연결하고, VR3를 천천히 돌려 1V의 전압이 측정되도록 조정한다.

6. R7에 측정되는 전압을 표 7-10 해당란에 기록한다.

7. 옴의 법칙을 이용하여 R7에 흐르는 컬렉터 전류를 계산하여 표 7-10 해당란에 기록한다.

I _C = V_R7 / R7

8. 베이스전류를 20uA로 하기 위해 VR2를 우측으로 돌려 0.2V가 되도록 설정한다.

9. 위 5~7과정을 수행하여 측정 기록한다.

10. 베이스전류를 20uA로 하기 위해 VR2를 우측으로 돌려 0.2V가 되도록 설정한다.

11. 위 5~7과정을 수행하여 측정 기록한다.

tab1

실험 7-6.1 NPN 이미터 접지 특성 실험

1.결선방법(M07의 block c)

1.회로 결선

block c의 V+ 단자와 VR2와 연결된 단자 간을 적색선으로 연결한다.

block c의 R6 아래 단자와 TR1 베이스 단자 간을 황색선으로 연결한다.

block c의 TR1 컬렉터 단자와 R7 우위 단자 간을 황색선으로 연결한다.

block c의 TR1 이미터 단자와 접지 단자 간을 황색선으로 연결한다.

2.전원 결선

M07 보드의 좌측 Fixed Power의 +15V 단자와 block c의 V+ 단자 간을 적색선으로 연결한다.

M07 보드의 좌측 Fixed Power의 GND 단자와 접지단자 간을 흑색선으로 연결한다.

3.계측기 결선

R6 양단 전압측정 : block c에서 VR2 가운데 단자와 Signal Input CH A의 A+ 단자 간을 적색선으로 연결하고, R6 아래 단자와 A- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

R7 양단 전압측정 : block c에서 VR3 가운데 단자와 Signal Input CH B의 B+ 단자 간을 적색선으로 연결하고, R7 위 단자와 B- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

V_CE 전압측정 : block c에서 TR1의 컬렉터 단자와 Multimeter의 High 단자 간을 적색선으로 연결하고, 접지 단자와 Low 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.결선도

flash

3.측정방법

1Touch LCD 패널에서 좌측 메뉴에서 analog input을 선택하고, Volt & Ampere Meter 탭을 선택한 다음, CH A, CH B에서 voltage , dc, av를 클릭한다.
VR3를 중간정도로 위치시키고, CH A의 지시값(R6에 걸리는 전압)이 0.1V(100mV)되도록 VR2를 천천히 돌려 조정한다.
2Touch LCD 패널에서 좌측 메뉴에서 dmm를 선택하고 dcv를 클릭한다.
DMM의 지시값(TR1의 컬렉터-이미터 간 전압)이 1V가 되도록 VR3를 천천히 돌려 조정한다
3Touch LCD 패널에서 좌측 메뉴에서 analog input을 선택하고 Volt & Ampere Meter에서 CH B의 측정값을 표 7-10 해당란에 기록한다.
4Touch LCD 패널에서 좌측 메뉴에서 dmm를 선택하고, VR3를 천천히 돌려 표 7-10에 주어진 TR1의 컬렉터-이미터 간 전압으로 조정한다.
Touch LCD 패널에서 좌측 메뉴에서 analog input을 선택하고 Volt & Ampere Meter에서 CH B의 측정값을 표 7-10 해당란에 기록한다.

이 과정을 반복한다.
5CH A의 지시값(R6에 걸리는 전압)이 0.2V(200mV)되도록 VR2를 천천히 돌려 조정한다.
위 2), 3), 4)과정을 반복하여 측정하고 그 결과를 표 7-10에 기록한다.