출처 : http://www.aoc.nrao.edu/~pharden/hobby/HG_DS1.pdf
Handyman's Guide to... 문서 중에는 트랜지스터를 이해하는데 유용한 것들이 많이 있다. 그 중에서 가장 기초적인 것을 살펴보고자 한다. BJT중에서 일반적으로 많이 사용하는 것들은 2N2222, 2N2222A, 2N3904, 2N4401, MMBT3904등이다. 모두 다 NPN타입이다. 제조사의 안내서를 보면 살펴보아야할 일반적인 정보들은 다음 네가지정도이다.
* 최대 부하 특성 (Maximum (Breakdown) Ratings)
* 켜짐 상태 특성 ("On" Characteristics )
* 소신호 특성 (Small Signal Characteristics )
* 스위칭 특성 (Switching Characteristics)
1. 최대 부하 특성
최대 부하는 transister에서 열이 발생해서 파괴 되지 않는 선에서 허용되는 전압과 전류 제한값이다. 보통 살펴보아야 할 값들은 Vceo, Vcbo, Ic, 그리고 Pd 등이다. 일반적으로 transistor의 데이터 시트의 Electronic Characteristic 항목에 이러한 사항들이 나와 있다.
BJT방식의 transistor의 기호와 다리 이름은 간단히 검색해보면 나온다. Collecter, Base, Emitter로...
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| NPN 타입의 BJT 트렌지스터. 출처 : http://macao.communications.museum/eng/exhibition/secondfloor/moreinfo/2_10_3_howtransistorworks.html |
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| PNP 타입의 BJT 트렌지스터. 출처 : http://macao.communications.museum/eng/exhibition/secondfloor/moreinfo/2_10_3_howtransistorworks.html |
전압증폭기로써 사용도 하지만 트렌지스터의 동작 설명을 간단히 하기 위해서 전기 스위치로써의 동작을 살펴보자. NPN타입의 트렌지스터를 예를 들어 보자. Emitter와 Base사이에 작은 전압(통상 0.7V 이상)을 걸어주면 Collecter에서 Emitter사이에 전류가 흐르지 못하게 하였던 p형 반도체가 Base에 걸린 전압에 비례하여 Collectet와 Emitter사이에 전류를 흐르게 해준다. PNP형의 트렌지스터의 동작도 마찬가지이다.
그럼 이와 같이 동작하는 트렌지스터에 아무런 전압이나 전류가 허용가능하냐면 그렇지가 않다. 각 트렌지스터의 종류에 따라서 각 터미널에 허용되는 전압과 전류가 다르다. 이러한 부분은 데이터 시트에서 확인해야하는데 대부분 어느 부분에 허용되는 전압 혹은 전류인지에 대한 설명없이 기호로 모든 설명을 대신한다. 다음은 이 중 꼭 알아 두어야 할 기호에 대해서 설명한다.
* Vceo는 Collecter와 Emitter 사이에 걸어 줄 수 있는 최대 전압을 의미하고 위의 BJT들은 최소 30V이다.
* Vcbo는 Collecter와 Base 사이에 걸어 줄 수 있는 최대 전압을 의미하고 마찬가지로 최소 60V이다.
* Vebo는 Emitter와 Base 사이에 걸어 줄 수 있는 최대 전압으로 보통 5-6V정도이다. 하지만, 이 값이 정확하지 않다. 이 값을 믿고 5V정도 걸어주면 망가지기 쉽상이다. 그러니깐 NPN 타입의 BJT가 동작하기 위한 Biasing 전압 Vbe는 Vebo보다 작아야 하고 Vebo의 값은 신뢰성이 없기 때문에 한참 적은 값으로 Vbe를 정해야 한다. 물론 DC 전압에 AC 전압이 합쳐진 최대 전압도 Vebo보다 많이 적어야 한다.
* Ic는 Collecter에서 흐를 수 있는 최대 전류이다. Collecter에 흐르는 전류와 관련해서 주의해야 할 것은 열폭주이다. Collecter에 흐르는 전류와 BJT의 발열는 서로 비례관계이면서 주고받는 사이여서 온도에 따라 제어해주지 않으면 종국에는 폭발하게된다. Ic만 고려했다고 주의하지 않으면 폭발할 수 있다. 발열이 없는 용도도 상관없지만. 그리고 이러한 현상을 catastrophic substrate failure라고 한다.
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| 출처 : http://www.aoc.nrao.edu/~pharden/hobby/HG_DS1.pdf |
2. 켜짐 상태 특성
BJT 트렌지스터의 켜짐 상태라는 것은 Base 전압에 따른 Collecter와 Emitter에 흐르는 전류가 선형 관계를 이루는 적절한 Base 전압이 걸린 상태를 의미한다. 이 상태에서 트렌지스터의 출력 부에서 입력 전압에대한 증폭된 전압을 관찰 할 수 있다. 이와 같은 방식이 BJT를 증폭기로써 동작하게 하는 원리이다.
이러한 켜짐 상태는 통상 Base에 기본적인 DC전압이 인가(바이어스 전압)되고 이 전압을 bais 전압이라고 한다. 그리고 bias 전압은 이 DC 전압에 약간의 크기의 +- 전압이 추가된 전압에 비례하는 Collecter 전류의 선형 증폭이 가능한 지점을 말한다. 즉, 작은 진폭을 갖는 아날로그 전압이 이 바이어스 전압에 첨가하면 Base 전압에 비례하는 Collecter전류가 흐르게 된다. 일반적인 BJT의 복잡한 주변회로들은 이러한 동작점을 결정해 주기 위해서 첨가 되는 것이 대부분이다.
아무튼 이러한 동작점을 만들기 위한 Vbe의 최소 전압은 보통 0.7V이다. 이 이상의 전압부터 Collecter에 전류가 흐르기 시작한다. 켜짐 상태 특성을 설명하는 데이터 시트의 값들은 절대적인 값들이 아니다. 그도 그럴 것이 동작점은 한 두 곳이 아니기 때문에 그냥 참조 용도 이다. 그러니깐 각 값들에는 주어진 조건이라는 것이 있다. 이러한 조건에서 이러한 특성을 나타낸다라는 식의 서술이 되겠다. 여기서, 새로 알아 두어야 할 값은 직류 전류 증폭율과 교류 전류 증폭율이다. 각각 HFE(hFE) 와 Hfe(hfe)으로표기한다.
현 시점에서 나도 자세히는 모르겠지만 Base에 가해지는 전압 대비 Collecter에 흐르는 전류의 증폭율이 아닌가 추정된다. 아무튼 Collecter에 흐르는 전류와 Vce의 전압을 일정한 값으로 유도할 수 있는 Base 전류값을 모두 구하여 증폭율의 최대값과 최소값을 구하는 것 같다.
이 값은 여러가지 요인에 따라 디바이스 마다 다르단다. 설계를 할때는 최대값과 최소값의 중간 값을 증폭율로 보고 보통 100정도의 HFE로 간주하여 설계할 것을 추천한단다. 그리고 포화 전압(Saturation Voltage)이라는 것이 있다.
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