Transistor (1): Understanding Basics

Taejun Kim·2022년 2월 28일

Heterogeneous Stroke 프로젝트를 진행하며 ERM 진동 모터 4개에 안정적인 전압을 걸어주면서 독립적으로 컨트롤하기 위해 2N2369 트랜지스터를 회로에 추가했다. 트랜지스터의 역할, 원리 등에 대해 자세히 정리해보자.

2N2369 트랜지스터(npn)

트랜지스터에는 크게 두 종류: BJT(Bipolar Junction Transistor)와 FET(Field Effect Transistor)가 있다. 각 타입의 디테일은 다루지 않으나, 기본적으로 증폭와 스위칭을 수행하는 메커니즘은 같다. BJT 트랜지스터는 전류 입력을 통해 수도꼭지 (Base)가 조절되고, FET 트랜지스터는 전류가 없이 전압 입력만으로도 수도꼭지 (Gate)가 조절된다는 점이 다른 점 중 하나이다. 이 뒤의 설명은 모두 BJT 트랜지스터를 기준으로 서술한다.

트랜지스터의 역할

트랜지스터의 역할은 크게 1)증폭과 2)스위칭이라고 한다. 증폭/스위칭이 어떤 원리로 이뤄지는 것일까?

(NPN 트랜지스터의 경우) Collecter는 물이 들어가는 입구, Emitter는 물이 나오는 출구, Base는 밸브 수도꼭지로 비유할 수 있다. Base->Emitter로 흐르는 전류가 커지면 수도꼭지가 더 많이 열리는 것이다. Base->Emitter로 흐르는 전류 크기에 따라 아래와 같은 (Collector-Emitter Voltage: V_CE, Collector Current: I_C) 관계의 분포가 형성된다. 그리고 3개의 구분되는 Region이 생긴다.

Practical Electronics For Inventors (2nd Edition), Figure 4.47, 442p

Cut-off Region: Base Current (I_B)가 0일 때 = 밸브가 잠겨 있을 때. 이 때 트랜지스터는 Collector와 Emitter 사이의 열린 스위치와 비슷한 역할을 한다. 그래프의 I_B = 0 mA 에서 Collector-Emitter Voltage (V_CE)가 아무리 커도 Collector에는 전류 (I_C)가 사실상 흐르지 않는다. 실제로는 위 그래프에 표시한 것처럼 무시할 수 있을 정도의 아주 작은 Leakage Current가 흐르긴 한다고 한다.

Active Region: 밸브가 열리는 만큼 Collector-Emitter 사이로 흐르는 물의 양이 조절되는 상태. Active Region은 트랜지스터가 증폭기로서 작동하는 영역이 된다. 같은 5V Collector-Emitter 전위차 (V_CE) - 빨간 점선 - 에서 Base Current (I_B)를 0 mA -> 0.4 mA 로 점점 올리면 Collector에 흐르는 전류의 (I_C)양이 계속 증가한다. 밸브 꼭지를 조금만 돌려도 밸브가 많이 열린다면, 즉 그래프 상에서 I_B 크기가 커질 때 커브가 +y 방향으로 더욱 크게 증가한다면, 전류증폭률 = Current Gain = h_FE = β이 높은 트랜지스터가 된다. 각 트랜지스터는 고유한 Current Gain 값을 갖는데, 보통 고정된 값이라고 생각하고 다뤄지며 대략 10-500 사이라 한다. (실제로는 온도 등에 따라 약간 달라질 수 있다고 한다)

Saturation Region: 주어진 Collector-Emitter Voltage (V_CE)에서 Collector에 흐를 수 있는 최대 크기의 전류 (I_C max)가 흐르고 있는 상황. 이 때는 Base Current (I_B)를 더 키운다고 해도 Collector에 흐르는 전류의 양이 더 커지지 않는다.

Active Region 범위의 Base Current (I_B), Collector-Emitter Voltage (V_CE)내에서 트랜지스터를 사용하면 증폭기로서 트랜지스터를 사용할 수 있고, Cut-off Region와 Saturation Region 두 Region을 왔다 갔다하는 I_B, V_CE 범위에서 트랜지스터를 사용하면 스위치로서 이를 사용할 수 있다.

트랜지스터의 물리적 구성 원리

부도체인 실리콘(Si)에 붕소(B)나 인(P)을 첨가하면 반도체가 된다. 붕소(B)를 첨가하면 전자가 부족해져 정공으로 이뤄진 P형 반도체가 되고, 인(P)을 첨가하면 잉여 전자가 발생하며 N형 반도체가 된다. P형 반도체, N형 반도체를 붙여놓으면 P형에서 N형으로 전류가 흐르게 된다. 반대로 N형에서 P형으로는 전류가 거의 흐르지 않는다. 이를 정류작용이라 한다. 이런 특성을 이용해 P-N접합 다이오드가 만들어지기도 한다. 아무튼 P,N,P형 반도체를 순서대로 붙이면 PNP 트랜지스터, 반대로 N,P,N을 붙이면 NPN 트랜지스터가 된다.

NPN 트랜지스터의 이해를 돕기 위한 회로 예시

위 예시 그림에서 오른쪽의 역방향 전압은 n형->p형 방향이기 때문에 전류가 흐르지 않는다. 왼쪽의 순방향 전압(n형에 (-)가 걸리고 p형에 (+)가 걸림)의 경우 p형의 정공이 (+)에 의해 서로 반발해서 n형으로 이동하게 되고, n형의 전자들은 (-)에 의해 서로 반발해 p형으로 이동하게 되어 전류가 흐르게 된다. 결국 n형에 있던 전자들은 일부만 p형 정공과 결합하고 나머지는 p형 층을 뛰어넘어 컬렉터쪽의 전자와 함께 (+)로 이동해서 전류가 흐르게 된다.

따라서 베이스(B)에 전류가 살짝 들어오면 컬렉터(C)에서 이미터(E)로 전류가 흐르게 된다. 이런 원리로 베이스에 걸어주는 작은 전위차로 컬렉터에 걸려있는 큰 전위차를 컨트롤할 수 있게 된다.

이어지는 글: Transistor (2): Transistor with Arduino