트랜지스터(transistor) 강의록 - 1 NPN, PNP형 트랜지스터의 기초

트랜지스터란 트랜스퍼 레지스터(transfer resistor)의 합성어로 전환 저항기라는 의미가 됩니다. 트랜지스터는 단극성 트랜지스터, 쌍극성 트랜지스터로 분류 할 수 있으며, 일반적으로 트랜지스터는 쌍극성 트랜지스터로서 PNP형과 NPN형으로 2종류로 나눌 수 있습니다. 트랜지스터는 주로 실리콘을 주 재료로 하지만 용도에 따라서 게르마늄이나 비화칼륨도 사용이 됩니다.

■ 트랜지스터의 기호 및 구조

위 그림과 같이 2개의 N형 층과 1개의 P형 층, 또는 2개의 P형 층과 1개의 N형 층으로 이루어진 3층 반도체 소자를 트랜지스터라고 합니다.

위 그림을 자세히 보면 트랜지스터 내부에 화살표 표시가 되어 있는 선이 있는데 이게 바로 emitter라고 불리우는 단자이고 B라고 써있는 선이 base로 불리며 나머지 C는 Collector라고 합니다.

E : Emitter - 무엇을 내보낸다는 뜻으로 NPN에서는 전자를 내보내고, PNP에서는 정공을 내보냅니다.
C : Collector - 무엇을 모은다는 뜻으로 Emitter에서 나온 전자 또는 정공을 모읍니다.
B : Base - 기초라는 뜻입니다.

트랜지스터의 표시는 그림 기호를 사용하고 이미터에는 화살표를 붙여서 컬렉터와 구별합니다. 이미터의 화살표는 트랜지스터에 흐르는 전류의 방향을 나타내며 이것에 의해 PNP형과 NPN형을 구분할 수 있습니다.

■ 트랜지스터의 기본 동작원리

1. NPN형 트랜지스터의 동작원리

역방향 전압(N형에 (+) P형에 (-))을 걸면 P형의 정공은 (-)쪽으로 쪽으로 이동 할 것이고, N형의 전자는 (+)쪽으로 이동하여 공핍층만 크게 되어 전류가 흐르기 어렵게 됩니다.
순방향 전압(N형에 (-) P형에 (+))을 걸면 P형의 정공은 (+)에 의해 서로 반발하게 되어 N형 반도체로 이동하게 되고, N형의 전자는 (-)에 의해 서로 반발하여 P형쪽으로 이동함으로 인하여 전류가 흐르게 됩니다.
그리하여 위 그림과 같이 전압을 걸어 이미터 쪽에 있는 N형의 일부 전자는 P형쪽으로 이동하여 정공과 결합하고, 나머지 남아있는 N형의 전자는 P형 층을 뛰어넘어 컬렉터 쪽에 있는 전자와 함께 (+)쪽으로 이동하여 전류가 흐르게 됩니다. 결국 NPN 트랜지스터형은 베이스에 전류가 흘러 들어와야지 컬렉터에서 이미터로 전류가 흐르게 됩니다.

2. PNP형 트랜지스터의 동작원리

PNP 트랜지스터의 동작원리도 NPN 트랜지스터와 같습니다. 다만, 전원과의 결선이 NPN형과 반대입니다. 결국 PNP 트랜지스터는 이미터에서 베이스로 전류가 흘러나가야지 이미터에서 컬렉터로 전류가 흐르게 됩니다.

요약
1. NPN : 컬렉터에서 베이스쪽으로 전류가 흘러 들어와야지 컬렉터에서 이미터로 전류가 흐른다.
2. PNP : 이미터에서 베이스쪽으로 전류가 흘러 나가야지 이미터에서 컬렉터 쪽으로 전류가 흐른다.

■ 트랜지스터의 스위칭작용

그림과 같이 NPN 회로에서는 베이스 전류 IB가 흐르지 않으면 컬렉터 전류 IC도 흐르지 않는 성질을 가지고 있습니다. 따라서 베이스 전류 IB를 ON, OFF 함으로써 컬렉터 전류 IC, 이미터 전류 IE를 ON, OFF 할 수 있게 됩니다.
또한 PNP 회로에서는 이미터의 전류가 베이스 쪽으로 흘러야지 이미터에서 컬렉터로 전류가 흐릅니다. 이것을 트랜지스터의 스위칭작용이라고 하며 작은 베이스 전류를 단속함으로써 큰 컬렉터 전류를 단속할 수 있음을 이용하여 스위치 회로로 사용가능합니다.

1. 트랜지스터와 릴레이의 차이
릴레이란(relay)란 전자코일에 전류가 흐르면 전자석이 되고 그 전자력에 의하여 가동 철편을 유인하는 것을 이용하여 이것과 연동시킨 기구에 의한 접점을 개폐시키는 것으로 전자력에 의하여 접점을 개폐하는 기능을 갖고있는 장치입니다. 릴레이의 기본이 되는 4단자 릴레이는 코일(2단자)과 접점(2단자)으로 이루어졌으며 릴레이의 구성 및 회로도는 아래와 같습니다.

위 그림은 릴레이를 사용한 램프 점등 회로이다. 스위치를 온 하면 배터리의 전류는 스위치로 흐르고 그리고 전자석으로 전류가 흐르게 된다. 전자석이 릴레이에 있는 스위치를 땅기게 되어 ON이 되고 램프가 점등이 됩니다.

위 그림과 같이 트랜지스터를 이용한 회로에서도 스위치를 받아 베이스에 전류가 흐르면 컬렉터와 이미터가 도통상태가 되어 컬렉터 전류가 이미터로 흐르게 되어 램프가 켜지게 됩니다. 

이와 같이 트랜지스터도 릴레이의 작동과 같은 동작을 하는데 차이점은 트랜지스터는 기계적 접점이 없어서 기계적 접점을 이용하는 릴레이와는 달리 채터링(Chattering) 현상이 없고, 스위칭 동작이 빠릅니다 (보통 트랜지스터는 1초에 1000회 이상 반복 동작 가능, 반면 릴레이는 100~200회). 트랜지스터는 베이스전류를 가감하여 컬렉터전류를 컨트롤 할 수도 있습니다.
반면에 릴레이는 전자석이 코일로 만들어지므로 스위치가 ON에서 OFF로 전환할 때 자기 유도 작용에 의해 큰 역기전력이 생겨 스위치의 소손을 일으키게 합니다. 그렇게 되면 코일 쪽의 전류가 작게 흘러 스위치의 접점이 원만하지 않게 됩니다. 
요약하자면 트랜지스터는 기계적 접점이 없어 수명이 길고, 소형이면서 소비전력이 적은 특징이 있다고 할 수 있습니다.
1) 릴레이와 같은 유접점 회로를 이용하지 않고 트랜지스터를 이용하여 간단하게 스위치 회로를 구성할 수 있다.
2) 트랜지스터는 접점이 없으므로 릴레이와 같은 개폐시의 채터링(Chattering) 현상이 없다.
3) 수명은 길고 소비전력이 극히 적으며, 스위칭 동작을 초당 1000회 이상으로 구현할 수 있다.
4) 낮은 베이스 전류로 스위칭이 되므로 제어회로가 간단히 구성될 수 있다.

2. NPN형 트랜지스터의 논리적 합리성

(D1 다이오드의 방향 반대가 맞습니다!!)

위 그림과 같이 NPN형 트랜지스터를 사용한 회로를 보면(R2가 없을 경우), 내부저항이 고작 20Ω 정도도 안되어 엄청난 열에 의해 파손되어 버립니다. 그러나 그림처럼 베이스에 직렬로 저항을 걸면 저항 양단에 큰 전압이 걸리고 베이스와 이미터사이에는 작은 전압이 걸리므로 이온에 의한 장벽 정도만 뚫을 정도의 전압만 걸어주면 파손 위험 없이 사용가능합니다. 이와 같이 전류가 베이스 쪽에서 이미터쪽으로 흐르면 컬렉터에서 이미터로 전류가 흘러 LED가 켜지게 되는 것입니다. 만약 모든 에너지 측면에서 LED를 컬렉터에 연결하면 베이스로 흘러 들어오는 전류만큼 손해를 봐야 하므로 램프를 이미터에 설치하여 에너지 이용면에서 효율적이 되는 것입니다. 이렇기 때문에 회로의 합리성을 논리적으로 고려해서 회로 설계를 해야 합니다.

3. PNP형 트랜지스터의 논리적 합리성

배터리에서 나온 전류는 이미터에서 베이스로 전류가 흘러 나가면, PNP형도 NPN형과 마찬가지로 이때 이미터와 베이스사이에 내부저항이 고작 20Ω 정도도 안되어 엄청난 열에 의해 파손되어 버립니다. 그러나 위 그림처럼 이미터에 직렬로 저항을 걸면 저항 양단에 큰 전압이 걸리고 이미터와 베이스사이에는 작은 전압이 걸리므로 이온에 의한 장벽 정도만 뚫을 정도의 전압을 걸어주면 됩니다. 
이와 같이 전류가 이미터에서 베이스 쪽으로 흐르면 이미터에서 컬렉터로 전류가 흘러 LED가 점등되는 것입니다. 만약 모든 전류가 이미터에서 베이스로 흘러버리면 이미터에서 컬렉터로 흐를 전류가 없게됩니다. 따라서 에너지 측면에서 LED를 컬렉터에 연결하면 베이스로 흐르는 전류만큼 손해를 봐야 하기 때문에 램프를 이미터에 설치하면 에너지 이용면에서 유리하게 됩니다.

■ 트랜지스터의 2단 스위칭 회로

위 그림와 같이 스위치가 OFF일 때 트랜지스터 TR1에는 저항 R1을 통해 베이스 전류 IB가 흐르기 때문에 TR1은 ON이 된다. 따라서 나점의 전위는 0V로 되고, 트랜지스터 TR2에는 베이스전류 IB가 흐르지 않아 TR2는 OF로 되고 LED는 소등됩니다. 
스위치가 ON일 때 가점의 전위는 0V로 되어 트랜지스터 TR1의 베이스에 전류가 흐르지 않으므로 TR1은 OFF가 되고 나점의 전위는 올라가고 TR2의 베이스가 저항 R2를 통해 전원전압과 접속되어 있으므로 TR2에 베이스전류 IB가 흐르게 되고 TR2는 ON으로 되어 LED에 점등이 되게 됩니다.

■ 트랜지스터 3단 스위칭 회로

위 그림과 같이 스위치가 OFF일 때 트랜지스터 TR1에는 저항 R1을 통해 베이스 전류 IB가 흐르기 때문에 TR1은 ON이 되어 나점의 전위는 0V로 되고, 트랜지스터 TR2에는 베이스 전류 IB가 흐르지 않아 TR2는 OFF로 되고 따라서 저항 R3로 흐르는 전류는 TR3의 베이스에 전류가 흘러 TR3가 ON되어 LED는 점등된다.
스위치가 ON되면 가점의 전위는 0V가 되어 TR1의 베이스에 전류가 흐르지 않으므로 TR1은 OFF가 되고, 나점의 전위는 상승하고 TR2의 베이스에 전류가 흘러서 TR2가 ON되고, 다점의 전위는 0V가 되어 TR3는 OFF가 되어 LED는 소등됩니다.

■ 콘덴서와 트랜지스터를 이용한 타이머회로

위 그림과 같이 회로를 구성해 보면 콘덴서와 트랜지스터의 기능을 더욱 이해하기 편리하빈다. 전원을 연결하면 1의 실선 방향으로 전류가 흐르게 됩니다. 이때 전류는 저항 R1과 콘덴서 정전용량분 C1의 시정수 τ (sec)의 시간이 경과할 때까지는 연속으로 1의 전류가 흐르므로 점 A의 전위는 서서히 상승되기 시작하여 T초 경과 후 2의 실선방향으로 전류가 흘러 트랜지스터가 작동하면 즉시 3의 실선방향으로 전류가 통전되어 릴레이가 동작하고 접점을 잡아 당겨 4의 실선과 같은 방향의 전류가 흘러 LED가 점등이 됩니다. 이후로는 계속 이 상태를 유지하다가 점 B를 차단시키면 C1의 충전전류가 방전될 때까지 유지하고 LED는 소등이 되게 됩니다.