트랜지스터(Transistor) 강의록 - 3 다링톤 트랜지스터, 포토 트랜지스터, 접합형 FET, MOS형 FET

2019.04.15 - [임베디드 프로세서/전자의 기초] - 트랜지스터(transistor) 강의록 - 1 NPN, PNP형 트랜지스터의 기초

2019.04.16 - [임베디드 프로세서/전자의 기초] - 트랜지스터(transistor) 강의록 - 2 증폭 작용

트랜지스터의 기본회로 해석

아래와 같은 회로에서 트랜지스의 동작특성을 알아보겠습니다.

1. 스위치가 OFF 일 때(IB = 0)

IC = hFE X IB = hFE X 0 = 0
이 되어 저항 R1에는 전류가 흐르지 않습니다. 따라서 저항 R1에는 거의 전압이 존재하지 않게 되고, 트랜지스터의 컬렉터와 이미터간의 전압에 거의 모든 전압, 즉 전원전압이 걸리게 됩니다. 물이 흐르는 관을 대입해서 생각해보면 관이 막히면 거의 모든 압력은 막힌 곳에 압력이 다 걸리기 때문입니다. 따라서 NPN 트랜지스터는 베이스에 전류가 흐르지 않으면 컬렉터와 이미터간에도 전류가 흐르지 않게 됩니다. 

2. 스위치가 ON일 때(IB가 작을 때)

전원전압이 12V, R1 = 10Ω, IB = 1mA, hFE = 100이라고 가정하고, 컬렉터 전류와 컬렉터와 이미터간의 전압을 구해보겠습니다.
IC = hFE X IB = 100 X 1mA = 100mA가 되어 컬렉터 전류 IC는 100mA가 됩니다.
또한 컬렉터와 이미터간의 전압을 구하기 위해 먼저 저항 R1에 걸리는 전압을 구해보면
VR1 = R1 X IC = 10 X 100mA = 1V가 됩니다.
그러므로 컬렉터와 이미터간의 전압은 전원 전압에서 저항 R1에 걸리는 전압을 뺀 나머지 전압이 되겠습니다. 즉, 12V - 1V = 11V가 됩니다. 이는 접속방식이 병렬로 되어 IB, IC 전체 걸리는 전압은 전원전압이 걸리기 때문입니다.

3. 스위치가 ON일 때(IB가 클 때)

만일 이 회로에서 베이스에 전류가 많이 흐르게 되면 컬렉터 전류도 덩달아 커지게 됨을 유추할 수 있는데요. 그러므로 저항 R1에 걸리는 전압은 커지는 반면 컬렉터와 이미터간의 전압은 작아지게 됩니다. 그래서 컬렉터와 이미터간의 전압이 0V가 되면 베이스 전류가 아무리 증가하여도 컬렉터 전류는 증가하지 않게 되는데요. 이를 포화상태라고 명칭하며 트랜지스터를 단락 시킨 상태와 같다고 볼 수 있습니다.

다링톤 트랜지스터

증폭률을 크게 하기 위해 아래 그림과 같이 TR 1개의 컬렉터 출력이 다른 TR 베이스 입력으로 들어가는 방법을 사용합니다. 간단히 보면 TR 내부에 2개의 TR이 구성되어 있습니다. 이러한 접속을 다링톤 트랜지스터라고 합니다.

외형을 보면 한개의 트랜지스터이지만 내부에는 2개의 트랜지스터로 구성되어 있기 때문에 hFE = 100일 경우 전류 증폭도는 100 x 100이 됩니다. TR 1개로 2개 분의 TR 증폭효과가 나므로 매우 작은 베이스 전류로도 큰 전류를 제어할 수 있어서 볼륨식 가변저항 1개로 10A 정도 용량의 히터 블로워 모터의 전류를 제한할 수 있는 것입니다.

트랜지스터의 분류

1. 형상에 따른 분류
[1] 에폭시(epoxy) 봉함식
소 신호용으로 자동차에 주로 사용됩니다.

[2] 플라스틱(plastic) 봉함식
중간 출력용으로 사용합니다.

[3] 알루미늄 케이스(aluminum case) 봉함식
대출력용 또는 대전력용에 사용됩니다.

2. 트랜지스터 기호의 이해

2	S	D	36	A
1 : 다이오드 2 : 트랜지스터, 사이리스터, FET 3 : 4단자 사이리스터, FET 4 : 5단자 FET	반도체 소자의 종류	A : PNP형이며 고주파형 B : PNP형이며 저주파형 C : NPN형이며 고주파형 D : NPN형이며 저주파형 F : 사이리스터 H : 단접합 트랜지스터 J : P형 채널의 FET K : N형 채널의 FET P : 발광소자 V : 가변용량 다이오드	등록번호	원형을 변형한 것은 변경 한차례로 A, B, C, D, E, F, G, N, J, K를 붙인다

포토트랜지스터(Phototransistor)

1. 포토트랜지스터의 기호 및 구조
포토트랜지스터도 트랜지스터의 일종으로 NPN, PNP 접합형입니다. 포토트랜지스터는 광량측정, 광 스위치, 조향휠 각도센서에 사용되는 반도체로서 아래 그림과 같이 컬렉터와 이미터사이에 전압을 걸고 베이스에 빛을 쪼이면, 빛에 의해 전자가 궤도를 이탈하여 자유전자가 되어 역방향으로 전류가 흐르게 되며, 빛이 강할수록 자유전자 수도 증가되어 더욱 많은 전류가 흐르게 되는 구조입니다.

2. 포토트랜지스터의 응용회로

 

위 회로에 전원을 연결하고 포토트랜지스터에 빛이 쏘여지고 있다고 가정하면 1번과 같은 전류가 포토트랜지스터로 흐르게 됩니다. 그러므로 트랜지스터의 베이스에 전류가 흐르지 않아 실선 3과 같은 전류가 흐르지 않고, LED가 점등이 되지 않겠지만 주변이 어두워지면 포토트랜지스터의 통전 능력도 감소되어 서서히 실선 2의 방향으로 베이스전류가 흘러 LED가 점등되게 됩니다.
이로써 저항과 포토트랜지스터와 LED를 가지고 주변 빛의 밝기에 따라 자동으로 LED가 점등 혹은 소등 되는 회로도를 만들 수 있으며 이는 가로등에 장치하여 자동으로 작동되게 할 수 있습니다.

전계효과 트랜지스터

일반 트랜지스터의 약점은 베이스 전류가 조금이라도 흘러야 한다는 점인데요. 이런 약점을 보완하기 위해 FET(Field Effect Transistor)라고 하는 전계효과 트랜지스터가 생겼으며 이는 접합형과 MOS형의 2종류로 분류할 수 있습니다.

접합형 FET

1. 접합형 FET의 기호 및 구조
아래 그림과 같이 P형 반도체(N형 반도체인 경우도 있음) 기판의 양면에 각각 P형 반도체를 접합시키고, N형 반도체의 양단과 양면의 P형 반도체로부터 각각 단자를 내놓은 구조로 되어 있습니다.

기판 양단의 단자를 소스(Source : S) 와 드레인(Drain : D)이라 하고, 양면의 P형 반도체에서 나온 두 단자를 게이트(Gate : G)라고 합니다. 여기서 S는 (-), D는 (+), 그리고 G는 제어전극이 됩니다.

2. 접합형 FET의 동작원리
아래 그림과 같이 N형 채널 접합 FET의 드레인 (+), 소스 (-)가 되도록 전압을 공급하고, 게이트와 소스간에 역방향 전압을 가하게 되면 게이트에는 (-) 전압이 작용하게 됩니다.

반도체는 주어진 게이트의 정공에 의하여 서로 위 · 아래로 몰리게 되므로 가운데 N형 반도체는 본의 아니게 공핍층이 넓어져서 단면적이 좁아지게 되고 드레인에서 소스로의 전류는 흐름이 어렵게 됩니다. P형 채널 접합 FET의 동작원리도 N채널과 같지만 단지 전원 극성과 전류의 방향만 반대의 경우입니다.
정리해보면, 트랜지스터는 베이스 전류를 주어야 전류가 통하게 되었다면 FET는 반대로 게이트에 전기를 안줄수록 전기가 잘 통하게 되고 게이트에 전기를 준다고 해도 경계층인 공핍층만 두꺼워질 뿐 신호로 쓰이는 게이트는 전력소비가 없게 되는 구조입니다.

MOS형 FET

1. MOS형 FET의 기호 및 구조
아래 그림과 같이 P형 실리콘 기판 위에 N채널을 만들기 위해 N형으로 도핑한 다음 표면을 산화시켜 절연성이 높은 산화규소층을 형성시킵니다. 접합형과 같이 N형 영역의 한 쪽을 소스라 하고 다른 쪽을 드레인이라 하며 산화막 전극을 게이트라고 부릅니다.

MOS형 FET에서 P형 실리콘을 기재로 사용하여 N형인 것을 N채널, N형 실리콘을 기재로 사용하여 P형 채널로 한 것을 P채널 MOS FET라고 합니다. 또한 게이트 전압의 인가에 의한 채널의 형성 상태에 따라 MOS FET는 증가형 MOS FET와 공핍형 MOS FET로 분류합니다.

2. MOS형 FET의 동작원리
공핍형 FET는 접합형 FET와 똑같은 원리로 동작합니다. 위 그림과 같이 게이트와 소스간의 전압이 없을 경우에는 공핍층이 좁기 때문에 드레인 전류가 많이 흐르게 되지요. 그러나 게이트 전압을 증가시켜 N채널의 전자가 게이트의 (-) 전압에 반발되어 공핍층이 두꺼워지게 되어 채널이 좁아지게 됩니다. 채널이 좁아져 결국 드레인 전류는 감소하게 되는것이죠.
그러므로 게이트전압(VG)으로 드레인 전류를 제어할 수 있습니다.

증가형 FET는 게이트 전압을 공급하지 않게되면 드레인 전류가 흐르지 않게 됩니다. 전류가 흐르려면 N형의 소스(S)로부터 전자가 나와 P형 기판을 통과하여 N형 드레인(D)까지 도달해야 합니다. 그러나 P형의 기판과 N형의 드레인 전극사이는 역방향이므로 전류가 흐르지 못하게 됩니다. 그래서 게이트 전압(VG)을 공급하면, 게이트전극은 P형 기판으로부터 전자를 빨아드려 드레인과 소스사이에 전자가 밀집된 N형 채널을 형성시키게 되어 전류가 흐르게 됩니다. 게이트 전압이 증가하게 되면 N형 통로는 더욱 넓어지게 되어 드레인 전류 또한 많이 흐르게 됩니다.