[전자회로 실험#5] 트랜지스터(BJT)의 특성_1

 

트랜지스터는 회로에서 증폭, 스위치로서 동작하는 소자로 대표적으로 BJT, FET이 있다.

BJT는 Bipolar Junction Transistor(양극성 접합 트랜지스터)는 말 그대로 두 개의 극성을 가진 소자를 접합 한 트랜지스터를 의미한다. BJT는 반송자(Carrier, 전자와 정공)에 따라 NPN, PNP 두 개의 형태가 있고 세 개의 단자 베이스(Base), 이미터(Emitter), 컬렉터(Collector)로 구분된다.

BJT의 동작원리를 상세히 알아보면 단자별 이름의  의미를 명확하게 이해할 수 있지만 간단하게 단자별 역할만 살펴본다.

컬렉터는 반송자가 수집되는 단자, 이미터는 반송자가 주입되는(들어가는 단자), 베이스는 입력 단자이다.

NPN형 BJT

 

PNP형 BJT

 

 

BJT는 베이스 전류 $I_{B}$로 컬렉터 전류 $I_{C}$를 제어하는 소자로 다음과 같이 동작 영역을 구분할 수 있다.

 

포화 영역(Saturation)

스위치가 ON된 상태의 동작 영역이다. 스위치가 닫힌 경우, 전류는 전압에 비례하며 옴의 법칙을 만족한다. 이때 컬렉터 전류는 전압에 비례한다.

활성 영역(Active)

증폭기로 동작하는 영역으로 출력인 컬렉터 전류는 입력(베이스전류)에 트랜지스터의 증폭률($\beta$)의 곱으로 표현되며 이때 컬렉터 전압은 옴의 법칙에 따르지 않고 베이스 전류와 증폭률에만 영향을 받는 영역이다.

 

3. 차단 영역(Cut-off)

스위치가 OFF된 상태의 동작 영역이다. 스위치가 열린 경우, 전류는 흐를 수 없기 때문에 컬렉터 전류는 0이다.

 

4. 항복 영역(Breakdown)

트랜지스터의 항복전압을 넘어선 구간에서 급격히 전류가 흐르게 되는 영역으로 트랜지스터로서의 기능을 상실하게 된다. 트랜지스터의 항복전압은 트랜지스터별로 차이가 있다.

 

 

트랜지스터의  특성을 확인하기 위해 아래의 회로에서 $V_{BB}$와 $V_{CC}$를 증가시켜가며 출력($I_{C}$)을 측정해보며 각 영역의 동작을 확인해본다.

BJT 특성 측정을 위한 회로

 

위 회로에서 이미터 단자의 마디를 기준(접지, 0전압)으로 하여 회로를 해석하면

$V_{BE} = V_{B} - V_{E}$로, $V_{E} = 0$이고 B-E접합은 PN접합으로 도통되는데 약 0.7V 정도가 필요하다. 따라서 $V_{BB}$가 0.7V 이상인 경우 B-E접합은 도통되며 $V_{BE} = 0.7$로 일정해지며 베이스 전류가 흐른다.

이때, 베이스 전류 $I_{B}=\frac{V_{BB}-V_{BE}}{R_{B}}$로 표현할 수 있다.

 

컬렉터 전류는 $\beta$값을 아는 경우 $I_{C}=\beta I_{B}$로 표현할 수 있으나, $\beta$ 을 모르는 경우 $I_{C}=\frac{V_{CC}-V_{C}}{R_{C}}$ 로 표현할 수 있다. $V_{E}=0$이므로 $V_{C} = V_{CE}$로 대신할 수 있다.

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[실험]

프로그램에서 아래 그림과 같이 트랜지스터 특성을 측정하기 위한 회로를 구성한다.

트랜지스터의 특성을 확인하기 위해 $V_{BB}$와 $V_{CC}$ 두 개의 직류 전원의 값을 변화시켜가며 $I_{B}, I_{C}, V_{BE}, V_{CE}, V_{BC}$를 아래 표에 기록하고 동작 영역별 조건을 유추해본다.

 

두 개의 직류 전원($V_{CC}, V_{BB}$)을 변화시키며 측정을 해야하므로 이번에는 다음과 같이 시뮬레이션 프로필을 작성한다.

• Analysis Type은 DC Sweep로
• Primary Sweep에서 Voltage source-Name는 VCC로, 시작 값은 0, 종료 값은 40, 증가량은 1로 설정

• Secondary Sweep에서 Voltage source-Name는 VBB로, 시작 값은 0, 종료 값은 10, 증가량은 2로 설정

 

먼저 전류 마커를 베이스에 위치시킨 뒤, 베이스 전류를 관찰하면 다음과 같은 그래프를 관찰할 수 있다.

베이스 전류 그래프

정확한 값을 측정하기 위해 상단 메뉴 중 Toggle Cursor를 클릭 한 뒤 원하는 지점을 클릭하면 하단에 아래와 같은 측정 값을 확인할 수 있다.

 

 $V_{BB}=2$일 때, $I_{B} = 12.579\mu A$임을 확인할 수 있다.

베이스 전류를 식으로 나타내면 $I_{B} = \frac{V_{BB}-V_{BE}}{R_{B}}$, 대입하여 계산하면 $I_{B} = \frac{2-0.7}{100k} = 13\mu A$가 된다.

이는 실제 측정 값( $12.579\mu A$)과 거의 유사함을 확인할 수 있다.

이제 $V_{BB}$가 4, 6, 8, 10일 때 $I_{B}$를 같은 방식으로 측정하여 표에 기록한다.

 

베이스 전류의 값을 다 입력하고 난 뒤, 전류 마커를 컬렉터로 위치하여 다시 시뮬레이션을 실행한다.

컬렉터 전류 그래프

다시 한 번 상단 메뉴의  Toggle Cursor를 사용하여 $I_{C}$값을 측정한 뒤 표에 기록한다.

컬렉터 전류를 기록하면서 그래프를 관찰해보면  컬렉터 전류의 상승폭이 급격히 줄어들어 일정해 보이는 구간이 있는데 트랜지스터가 포화 영역을 지나 활성 영역으로 진입하는 이 구간을 의미한다.

 

$I_{B}$와 $I_{C}$를 모두 기록했다면 두 전류 값을 이용해 $V_{BE}, V_{CE}, V_{BC}$를 구할 수 있다.

 

$V_{BE} = V_{B} - V_{E} = V_{BB}-I_{B}R_{B}$$-V_{E}$

 

$V_{CE} = V_{C} - V_{E} = V_{CC}-I_{C}R_{C}$$-V_{E}$

 

$V_{BC} = V_{B} - V_{C} = V_{BE} - V_{CE}$

 

위의 식에 대입하여 표의 나머지를 모두 채우고 각 영역별 동작 조건은 다음 파트에서 알아보도록 하자.

 

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