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트랜지스터 ( 英語 : transistor )란 眞空 管을 代替하여, 苧麻늄 , 硅素 따위의 半導體 를 利用하여 電子 信號 및 前歷을 增幅 하거나 스위칭 하는 데 使用되는 半導體 素子 이다. ^[1] 세 個 以上의 電極 이 있다.

율리우스 에드거 릴리엔펠트(Julius Edgar Lilienfeld)가 1926年 章效果 트랜지스터 에 對한 特許를 냈으나 ^[2] 當時 實際로 動作하는 裝置를 構成하지는 못했다. 트랜지스터는 1947年 美國의 벨 硏究所 에서 월터 브래튼 , 윌리엄 쇼클리 , 존 바딘 이 처음 만들었다. "變化하는 抵抗을 通한 信號 變換期(transfer of a signal through a varister 또는 transit resistor)"로부터 나온 造語이다.

트랜지스터는 現代 電子 機器 를 構成하는 宏壯히 흔한 基本 部品 中 하나이다. 1947年 美國 物理學者 존 바딘 , 월터 브래튼 , 윌리엄 쇼클리 에 依해 트랜지스터가 開發된 後 트랜지스터는 電子工學의 大變革을 일으켰다. 트랜지스터의 出現으로 인해 더 작고 값싼 라디오, 計算器, 컴퓨터 等이 開發되었다. 트랜지스터는 IEEE 마일스톤上 目錄에 記載되어 있으며 트랜지스터 開發者는 1956年 노벨 物理學賞 을 受賞했다.

트랜지스터는 크게 接合型 트랜지스터 (Bipolar Junction Transistors:BJTs)와 전계효과 트랜지스터 (Field Effect Transistors:FETs)로 區分된다. 트랜지스터는 普通 入力端, 共通團 그리고 出力端으로 構成되어 있다. 入力端과 共通團 사이에 電壓 (FET) 또는 電流(BJT)를 認可하면 共通段과 出力端 사이의 電氣傳導度가 增加하게 되고 이를 통해 그들 사이의 電流흐름을 制御하게 된다. 아날로그, 디지털 回路에서 트랜지스터는 增幅器, 스위치, 論理回路, RAM 等을 構成하는 데 利用된다.

動作 原理 [ 編輯 ]

增幅 作用 [ 編輯 ]

增幅이란 電壓이나 電流가 몇 倍로 변환되는 것을 말한다. BJT 든 FET 든 電子的 側面에서 定해진 比率로 커지는 것을 增幅이라고 말할 수 있다.

比率과 同時에 생각할 것이 入力은 電壓이냐 電流이냐를 생각할 必要가 있다. 入力이 電壓으로 되느냐 電流로 되느냐를 決定하고, 出力 亦是 電壓으로 나타나느냐 電流로 나타 나느냐부터 決定한다.

• BJT  : 베이스 電流 入力 - 콜렉터/이미터 電流 出力 ${\displaystyle {i_{\text{c}}}=\beta {i_{\text{b}}}}$
• FET  : 게이트 電壓 入力 - 드레인/소스 電流 出力 ${\displaystyle {i_{\text{d}}}=g_{m}{v_{\text{g}}}}$
• 演算 增幅器(op-amp)  : 差等電壓 入力 - 電壓 出力 ${\displaystyle {v_{\text{o}}}=-G(v_{{\text{b}}-}-v_{{\text{b}}+})}$

入力이 電流라면 電壓은 回로 따라 決定되면 되는데, 結局 電壓의 變化가 電流를 誘發하므로 같은 말이다. 그러나 重要한 것은 增幅度라는 것은 一次函數關係(線形시스템)라는 것이다. 卽, 入力이 電流라면 電流의 몇 倍가 된다는 뜻이다. 萬若 一次函數의 關係가 아니라면 簡單한 回路에 信號의 歪曲이 온다. 例를 들어 사인파의 信號를 넣으면 같은 模樣의 사인파가 나오지 않는다.

위와 같은 基準을 定하는 것은 結局 素子의 特徵에서 나오는 것과 一般的으로 要求하는 增幅이라는 基準이 다르다는 것이다. 電子工學에서 增幅器를 設計할 때 入力이 電流인 것은 別로 問題가 되지 않는다. 大部分은 電壓을 入力하여 電壓으로 出力 한다. 電壓으로 符號化 된 信號가 出力 亦是 電壓으로 된다. 卽, 電壓의 크기가 結局 信號의 크기로 變換된다는 것이다. 그러나 BJT 은 베이스의 入力 電流에 比例하여 出力 電流가 나온다. 이것은 結局 入力과 出力을 電壓으로 變換 해야 한다.

또다른 問題는 入力 信號가 AC라는 것은 結局 電流의 흐름 方向이 兩 方向으로 흐른다는 말이다. 그러나 (그림2)와 같은 BJT 增幅器는 電流 方向은 한쪽 方向이다. 入力 信號를 그대로 넣으면 음 電壓을 處理할 수가 없다. FET 亦是 마찬가지이다. 따라서 BJT와 FET에서 使用하는 方法은 DC 電壓을 任意的으로 追加하는 것이다. 信號의 0V을 virtual ground 槪念을 適用하여 特定 電壓으로 올려 電流 方向이 한쪽으로 흐르더라도 可能하도록 設計 한다. 이 DC 電壓을 동작점( 바이어스 , Q-point ) 이라고 한다. 이와같은 造作을 biasing 이라는 말로 表現 하기도 한다. R과 C을 利用한 回路가 追加 되어야 한다.

이와 같이 問題가 되는 音 電壓을 考慮하여 演算 增幅器 에서는 全員을 音全員을 같이 使用한다. 0V을 AC의 入力 電壓과 맞추어 동작점을 考慮할 必要가 없다. 이렇게 陰電壓 全員을 하나더 追加 해야하는 負擔을 受容하면 信號 處理하는 立場에서는 쉬워 진다. 單一 電源을 使用한다면 演算增幅器는 結局 virtual ground 導入하여 信號 AC에 DC을 追加하는 方法으로 解決 한다.

BJT 增幅作用 [ 編輯 ]

BJT를 使用하여 增幅器를 만든다면 入力 電流 增幅을 使用해야 하므로 入力 電壓을 넣으면 베이스에서 入力 電流로 바꾸어 入力 된다. 그렇게 되면 出力 電流가 抵抗을 통해 電壓으로 表現 된다.

BJT에서 信號 表現 흐름:

  ${\displaystyle v_{in}}$ ---> 
${\displaystyle i_{b}}$ ---> 
${\displaystyle \beta i_{b}}$ = 
${\displaystyle i_{c}}$ ---> 
${\displaystyle v_{out}}$

增幅回路에서 一次函數의 關係를 갖는 것이 膾로 構成이 便한데, BJT 境遇는 日程 倍率을 가지고 動作하는 것을 forward-active (또는 簡單히 active) 모드(그림 1 參照)라고 한다. 이 모드는 入力電流에 對해 一定 比率로 出力 電流로 나타난다. BJT를 使用해서 增幅回路를 만들려면 이 모드를 使用해야 한다.

active모드에서 入力 電流의 몇 倍가 出力 電流로 나타난다. 따라서 다음과 같은 數式으로 表現이 可能하다.

${\displaystyle {I_{\text{C}}}=\beta _{F}{I_{\text{B}}}}$

入力 電流의 ${\displaystyle \beta _{F}}$ 만큼 電流 增幅이 된다. 萬若 出力 電壓이 必要하면 抵抗等을 使用하여 出力 電流를 흘려 주면 吳옴의 法則에 따라 電壓으로 變換 된다.

그림 2의 增幅 例에서 入力 電流 ${\displaystyle I_{B}}$는 入力 電壓 ${\displaystyle V_{in}}$에 依해 決定된다. 그리고 콜렉터에 흐르는 電流 ${\displaystyle I_{C}}$는 抵抗 ${\displaystyle R_{C}}$에 依해 ${\displaystyle V_{out}}$의 出力 電壓으로 變換 된다.

信號 歪曲 [ 編輯 ]

實際 素子에서 特性 上, 電流 增幅度 完璧하게 一次函數의 關係를 갖는 것은 아니며 電流가 흐르기 始作할 때와 出力 電流가 만들어진 素子의 能力을 벗어나면 增幅비가 歪曲되는 現象을 나타난다. (그림 2)의 境遇, 入力 ${\displaystyle V_{in}}$와 ${\displaystyle I_{\text{B}}}$ 變換 過程에서도 歪曲이 생긴다. cut-off 電壓에 가까울 수록 矮曲이 커진다.

${\displaystyle I_{b}={\frac {V_{in}}{R_{in}}}}$

여기서 ${\displaystyle R_{in}}$은 베이스에서 본 入力 임피던스이다.

入力 電壓 ${\displaystyle V_{in}}$이 작아 cut-off 電壓 近處가 되면 ${\displaystyle I_{\text{b}}}$의 電壓이 歪曲 되면서 全體 出力에 影響을 미친다. 反對로 出力 電流가 飽和領域에 들어서기 始作 하면 마찬가지로 歪曲이 생긴다.

飽和領域에서 BJT가 ${\displaystyle I_{C}=\beta I_{B}}$에 따라 電流 供給 能力이 있어도 ${\displaystyle R_{C}}$에 依해 電流가 制限 되기 때문이다.

스위치 作用 [ 編輯 ]

스위치 作用은 主로 連結 또는 끊김을 意味한다. 卽, 電流가 흐르느냐 흐르지 않느냐를 말한다. 따라서 BJT의 境遇는 動作모드 中에서 cut-off와 saturation 모드에서 動作 한다. 論理 狀態가 0에서 1로 또는 1에서 0으로 變할 때 瞬間的으로 active모드가 나타날 수는 있지만 瞬間的으로 짧은 時間 동안이다. 0秒 동안 瞬間的으로 狀態가 變할 수 없기 때문이다. 이것은 理想的일 때나 可能한 일이지, 慣性이 存在해 實際 現象에서는 不可能 하다.

論理의 電子的 表現과 BJT의 스위치 動作 狀態의 關係 [ 編輯 ]

BJT의 動作 時, 스위치 立場에서는 다음과 같은 狀況을 論理回路에서 利用한다:

• 스위치 켜짐 (ON) : 飽和모드(saturation mode) 狀態로 出力 電流는 外部回路에 依해 制限
• 스위치 꺼짐 (OFF) : 遮斷모드(cut-off mode) 狀態로 出力 電流 거의 0

saturation 모드에서 電流가 制限 되는 理由는 그림1의 回路의 境遇 抵抗 ${\displaystyle R}$에 依해 制限 된다. 그렇다고 BJT가 電流 增幅비가 作動하지 않는 것은 아니다. 電流를 充分히 供給될 수 있으나 ${\displaystyle R}$에 依해 制限 되므로 ${\displaystyle \beta _{F}}$가 必要 없게 된 것이다.

이 스위치 動作은 主로 디지털 回路에서 많이 活用된다. 數學的 論理는 참과 거짓으로 表現 되지만 電子工學에서는 이것이 참과 거짓을 表現할 때, 電壓 基準으로 表現 한다.

例를 들어 TTL의 論理表現의 境遇

• 참 (true) : 電壓 ${\displaystyle V_{CC}[V]}$
• 거짓 (false) : 電壓 ${\displaystyle 0[V]}$

論理 참과 거짓을 出力으로 나타낼 때, 스위치를 使用하여 表現한다. 實際로 칩으로 具現하면 電壓이 正確하게 ${\displaystyle V_{CC}[V]}$가 되지 않는다. BJT V3의 飽和狀態에서 電壓 降下 現象 때문에 多少 電壓이 떨어진다. 여기에 (그림 3)의 R3와 V5에 依해서 電壓降下가 追加 된다. 마찬가지로 ${\displaystyle 0[V]}$도 0보다 多少 큰 電壓이 나온다. (그림 3)의 V4에 依해서 電壓이 높아진다. 便宜 喪 이렇게 表現한 것이다. 論理 0과 1의 許容 電壓 範圍는 論理게이트 別로 差異가 난다. TTL, CMOS 等의 老職의 形態에 따라서 許容 範圍가 定해져 있다.

論理1의 電壓 ${\displaystyle V_{CC}}$는 初期에 5V를 使用하였다. 그러나 電壓이 높으면 動作 速度와 電力 面에서 不利하다. 그래서 只今은 3.3V을 많이 使用하고 이 電壓보다 낮은 電壓을 使用하기 한다. 그러나 이 電壓은 無限定 낮게 設定할 수는 없다. 基本的으로 BJT나 FET의 飽和領域의 電壓이 存在하기 때문이다. 그래서 各 狀態의 電壓 範圍를 設定한 理由이기도 하다.

TTL 토템폴 構造의 境遇, ${\displaystyle V_{CC}[V]}$와 ${\displaystyle 0[V]}$ 사이에 두個의 스위치 構造를 넣고

• 참을 表現할 때 : ${\displaystyle V_{CC}}$쪽의 스위치(그림3 V3)를 켜고, ${\displaystyle 0[V]}$쪽(그림3 V4)은 끄고,
• 거짓을 表現할 때 : ${\displaystyle V_{CC}}$쪽의 스위치(그림3 V3)를 끄고, 아래의 스위치(그림3 V4)를 켜면

出力 電壓이 電壓 ${\displaystyle V_{CC}[V]}$ 또는 ${\displaystyle 0[V]}$가 되어 論理를 表現할 수가 있다.

BJT의 스위치 動作에서 電流 [ 編輯 ]

論理의 表現이 電壓을 基準으로 定해지면서 煎類는 出力 다음의 回路에 依해 決定 된다. 出力에 어떤 回路가 붙어 있느냐에 따라서 電流가 變化 된다. 出力에 다른 老職이 붙는 것이 通常的이지만 다양한 回路의 應用이 可能하다. 出力 電壓은 定해진 대로 維持되면서 煎類는 뒤에 붙어 있는 回路에 依해 決定 된다. 但只 論理에 따라 電壓 만이 維持 될 뿐이다. 論理 0 出力에서 토템폴의 아래 스위치가 켜지면 다른 入力回路에 依해 오히려 電流가 出力 쪽으로 흘러 들어오는 것이 通常的인 現象이다. 電流 sink ( 回路 理論 의 소스 參考)로 作動 되는 것이다. 스위치 트랜지스터가 電流를 吸收함으로써, 電壓으로 0V로 維持 시키는 方法이다. 論理 1이라면 反對로 出力 電壓이 Vcc로 維持하기 위해, 토템폴의 位 스위치가 켜지면서 全員으로부터 電流가 흘러 나오는 電流 source 로 作動 한다. 다음 入力이 같은 構造의 로직 이라면 오히려 煎類는 0이면서 電壓은 Vcc로 維持된다. 이런 境遇 오히려 論理1日 때 電流가 흐르지 않고 論理 0일 때 電流가 흐르는 것이 普通이다.

트랜지스터 回로 [ 編輯 ]

接合型 트랜지스터 바이어스 回로 [ 編輯 ]

Class A 增幅器의 바이어스 回로 [ 編輯 ]

Class A 增幅器를 利用하여 代表的으로 3 가지 種類가 있다.

1. 베이스 바이어스 (固定 바이어스)
2. 電壓 分配 바이어스
3. 컬렉터 歸還 바이어스

1. 베이스 바이어스(固定 바이어스) [ 編輯 ]

이러한 바이어싱을 베이스 바이어스 或은 固定 바이어스 라고 부른다. 오른쪽의 例示 그림을 보면, 單一의 電力院 (베터리)李 콜렉터와 베이스에 使用된다.

오른쪽 回路에서는

V _cc = I _B R _B + V _be

그러므로,

I _b = (V _cc - V _be )/R _B

V _cc 가 R _b 의 값에 따라 固定되어 있으므로, 베이스 電流 I _b 는 變하지 않는다.

그래서 이러한 바이어스 種類를 固定 바이어스라고 부른다.

또한 이 回路에서는

V _cc = I _C R _C + V _ce

이므로,

V _ce = V _cc - I _C R _C

이다.

共通 이미터 電流 利得은 回路를 構成할 때 重要한 要素中 하나이다. (各 트랜지스터의 데이터 시트에 나와있다.) 여기서는 β라고 나타냈다.

I _C = βI _B

利器 때문에 I _C 도 求할 수 있다. 같은 方法으로 作動 支店 (V _ce ,I _C )도 設定 될 수 있다.

用度 위에 나와있는 短點들 때문에, 固定 바이어스는 線形 回路에서 잘 使用되지 않는다.(트랜지스터를 電流원으로 쓰는 回路 等) 그 代身, 트랜지스터가 스위치로 使用되는 回路에 자주 使用된다.

2.電壓 分配 바이어스 [ 編輯 ]

電壓 分配라는 것은 外部 抵抗 R ₁ 과 R ₂ 를 使用하는 것이다. 抵抗 R ₂ 에 걸리는 電壓은 이미터 接合에서 順方向 바이어스이다. 抵抗 R ₁ 과 R ₂ 를 잘 選擇함에 따라, 트랜지스터의 作動點을 β에 無關하게 만들 수 있다. 이 回路에서, 電壓 分配機는 베이스 電壓을 베이스 電流에 關係없이 固定시키는 役割을 한다. 하지만 베이스 電壓이 固定되어 있어도 컬렉터 煎類는 溫度 等에 따라 바뀌게 된다. 그러므로 Q-point를 安定化 시키기 위해 이미터 抵抗을 追加한다.(옆의 回로 또한 마찬가지이다)

이 回路에서 베이스 電壓은 다음과 같이 주어진다:

${\displaystyle V_{B}=\ }$ ${\displaystyle R_{2}\ }$ 사이의 電壓 ${\displaystyle =V_{cc}{\frac {R_{2}}{(R_{1}+R_{2})}}}$
( ${\displaystyle R_{2}<<R_{E}\ }$ 이라 家庭)

또한 ${\displaystyle V_{B}=V_{be}+I_{E}R_{E}\ }$이다. (여기서 V_be는 다이오드 特性으로 一般的으로 2次 近似에서 0.7V로 여긴다.)

이 回路에 對하여

${\displaystyle I_{B}={\frac {{\frac {V_{CC}}{1+R_{1}/R_{2}}}-V_{be}}{(\beta +1)R_{E}}}.}$

R_2<< R_E

用度: 위에 나온 이 回路의 安定性과 長點 때문에 다양한 線形回路에 使用된다.(R_2가 R_E에 비해 매우 작은 것은 生産性에 큰 影響을 끼치지 않는다.)

커패시터가 追加된 電壓 分配 바이어스 [ 編輯 ]

위에서 言及된 一般的인 電壓 分配 回路는 몇가지 短點을 가지고 있다. 가장 큰 問題로는 抵抗에 依해 생긴 AC 피드백人 利得(gain)값을 낮춘다는 것이다. 이걸 解決하기 위해 抵抗 R _E 과 竝列로 커패시터 (C _E )를 連結하는 方法이 있다.

3.컬렉터 歸還 바이어스 [ 編輯 ]

이 方法은 熱 暴走(thermal runaway)를 막고 作動地點을 安定性을 높이기 위해 쓰는 方法이다. 이 바이어스 方法에는 베이스 抵抗 ${\displaystyle R_{\text{B}}}$ 이 DC 電壓圓 ${\displaystyle V_{\text{cc}}}$에 連結되는 代身 컬렉터에 連結된다. 그러므로 열 幅株價 抵抗 ${\displaystyle R_{\text{C}}}$ 사이의 電壓을 强하시킨다.

키르히호프의 法則에 依해, 베이스 抵抗 ${\displaystyle R_{\text{b}}}$ 에 걸린 電壓 ${\displaystyle V_{{\text{R}}_{\text{b}}}}$ 은

${\displaystyle V_{{\text{R}}_{\text{b}}}=V_{\text{cc}}\,-\,{\mathord {\overbrace {(I_{\text{c}}+I_{\text{b}})R_{\text{c}}} ^{{\text{Voltage drop across }}R_{\text{c}}}}}\,-\,{\mathord {\overbrace {V_{\text{be}}} ^{\text{Voltage at base}}}}.}$ 가 된다.

Ebers-Moll 모델에 依하면, ${\displaystyle I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}}$, 그러므로

${\displaystyle V_{{\text{R}}_{\text{b}}}=V_{\text{cc}}-(\overbrace {\beta I_{\text{b}}} ^{I_{\text{c}}}+I_{\text{b}})R_{\text{c}}-V_{\text{be}}=V_{\text{cc}}-I_{\text{b}}(\beta +1)R_{\text{c}}-V_{\text{be}}.}$이다.

옴의 法則에 依해, 베이스 電流 ${\displaystyle I_{\text{b}}=V_{{\text{R}}_{\text{b}}}/R_{\text{b}}}$, 그러므로

${\displaystyle \overbrace {I_{\text{b}}R_{\text{b}}} ^{V_{{\text{R}}_{\text{b}}}}=V_{\text{cc}}-I_{\text{b}}(\beta +1)R_{\text{c}}-V_{\text{be}}.}$

그래서 베이스 電流 ${\displaystyle I_{\text{b}}}$ 는

${\displaystyle I_{\text{b}}={\frac {V_{\text{cc}}-V_{\text{be}}}{R_{\text{b}}+(\beta +1)R_{\text{c}}}}}$

${\displaystyle I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}={\frac {\beta (V_{\text{cc}}-V_{\text{be}})}{R_{\text{b}}+R_{\text{c}}+\beta R_{\text{c}}}}\approx {\frac {(V_{\text{cc}}-V_{\text{be}})}{R_{\text{c}}}}}$

아래와 같은 境遇에는

${\displaystyle \beta R_{\text{c}}\gg R_{\text{b}}.}$이다.

트랜지스터의 種類 [ 編輯 ]

• 接合型 트랜지스터 (BJT, bi-polar junction transistor)
• 전계효과 트랜지스터 (FET, Field effect transistor)
• 絶緣 게이트 兩極性 트랜지스터 (IGBT, Insulated gate bipolar transistor)
• 遺跡 發掘記 MOS 救助의 補助 陽極 動作 FET (GTBT, Grounded-Trench-MOS Assisted Bipolar-mode Field Effect Transistor)
• 段接合 트랜지스터 (UJT, Uni-junction transistor)
• 프로그래밍可能 UJT (PUT, Programmable Uni-junction transistor)
• 포토 트랜지스터
• 停戰 誘導 트랜지스터 (SIT, Static induction transistor)
• 달링턴 트랜지스터
• 電力 트랜지스터

같이 보기 [ 編輯 ]

• 半導體 素子
• 무어의 法則
• 集積 回路 - 增幅 回路 - 論理 回路

各州 [ 編輯 ]

外部 링크 [ 編輯 ]

• BJT 特性 理解 - 트랜지스터 基本理解 및 解釋
• 트랜지스터 試驗 - 트랜지스터 理解 및 試驗