트랜지스터
트랜지스터의 기능
트랜지스터는 전기 신호를 증폭하거나 스위칭하는 기능을 가지고 있습니다.
라디오의 경우, 공기중을 통해 전달된 매우 미약한 신호를 확대 (증폭)하여 스피커를 통해 출력합니다. 이러한 동작이 트랜지스터의 증폭 작용입니다.
그리고, 미리 결정된 신호가 입력되었을 때만 트랜지스터가 동작하는 스위치의 역할도 합니다.
IC나 LSI라고 하더라도 결국에는 트랜지스터의 집합이며, 그 동작의 기본이 되는 것이 트랜지스터입니다.
【트랜지스터의 기본 기능 이미지】
스위치로서의 트랜지스터
이미터를 접지한 경우의 스위칭 동작에 대해 설명하겠습니다.
트랜지스터의 베이스 단자에 전압 (약 0.7V 이상)이 인가되어, 미세 전류가 흐르게 되면, 트랜지스터가 ON되어 콜렉터 - 이미터 사이에 전류가 흐릅니다.
반대로 베이스 단자에 인가되는 전압이 낮은 (약 0.7V 이하) 경우 콜렉터와 이미터 사이는 OFF 상태가 되어 전류가 흐르지 않습니다.
트랜지스터의 스위칭은 베이스를 스위치로 하고, 콜렉터에서 이미터로의 전류 흐름을 ON / OFF하는 것입니다.
【스위칭 ON 이미지】
증폭기로서의 트랜지스터
트랜지스터의 동작을 수도 장치에 비유해 보겠습니다. 트랜지스터에는 3개의 단자가 있습니다. 각각 이미터, 베이스, 콜렉터라고 하며, 베이스는 수전, 이미터는 수도꼭지, 콜렉터는 물탱크라고 비유할 수 있을 것입니다. 수전을 작은 힘 (베이스로의 입력 신호)으로 컨트롤함으로써, 물탱크 (콜렉터)에서 수도꼭지 (이미터)로 대량의 물이 흐른다고 생각하면 이해가 쉬울 것입니다.
그림 1과 그림 2를 사용하여, 조금 더 자세하게 트랜지스터의 증폭 원리에 대해 설명하겠습니다. 입력전압 e와 바이어스 전압 E1에서 생성되는 베이스 - 이미터 전압 (VBE)에 비례한 전류 (IB)의 hfe※1배의 전류 (IC)가 콜렉터에 흐르게 됩니다. 이 콜렉터 전류 IC가 저항 RL에 흐름으로써, IC×RL의 전압이 저항 RL의 양끝에 나타납니다. 결국 입력전압 e가 ICRL이라는 전압으로 변환 (증폭)되어 출력에 나타나게 됩니다.
※1 : hfe 트랜지스터의 직류 전류 증폭률
트랜지스터의 원리
트랜지스터는 PN 접합으로 구성되고, 베이스에 전류를 흘림으로써 콜렉터 - 이미터 사이에 전류가 흐릅니다.
여기에서는, NPN형 트랜지스터를 예로 동작 원리에 대해 설명하겠습니다.
베이스 - 이미터 사이에 순방향 전압 (VBE)을 인가하면, 이미터의 전자 (- 전하)가 베이스에 흘러 들어와, 일부의 전자가 베이스의 정공 (+ 전하)과 결합합니다. 이것이 베이스의 미세 전류 (IB)입니다.
베이스 (P형 반도체)는 구조적으로 얇게 만들어져, 이미터에서 베이스로 유입된 전자의 대부분은 콜렉터로 빠져나가게 됩니다.
콜렉터 - 이미터 전압 (VCE)에 의해 전자 (- 전하)가 유도되어 콜렉터 전극 방향으로 이동합니다. 이것이 콜렉터 전류 IC가 됩니다.
＜전류는 전자의 동작과는 역방향으로 흐릅니다.＞
【트랜지스터 동작 이미지 (NPN형)】
NPN과 PNP 트랜지스터
트랜지스터는 크게 NPN형과 PNP형의 2종류로 분류할 수 있습니다. 오른쪽 그림과 같이, 회로 상에서 콜렉터 단자측으로 전류가 입력되는지, 출력되는지에 따라 분류합니다.
입력 신호에 따라 스위칭하고자 하는 경우, NPN형을 통한 이미터 접지. 전원측에서 제어하고자 하는 경우, PNP형을 사용하는 것이 일반적입니다.
NPN형의 캐리어가 전자 (- 전하)인 반면, PNP형의 캐리어는 정공 (+ 전하)입니다. PNP형은 이미터를 정전압, 베이스를 부전압이 되도록 전압을 인가하여, 이미터의 정공 (+ 전하)을 베이스로 흐르게 합니다. 이때 이미터의 정공 중 일부가 베이스의 전자 (- 전하)와 결합하여 미세한 베이스 전류가 되고, 나머지는 콜렉터로 빠져나가 콜렉터 전류가 됩니다.
【NPN형과 PNP형】
트랜지스터의 역사
1. 1948년, 벨 전화 연구소에서 탄생
당시 전자 공업계에서 큰 충격이 되었던 트랜지스터의 발명은 1948년에 이루어졌습니다.
그리고 이때 비로소, 오늘날의 일렉트로닉스 시대의 막이 열리게 되었습니다. 그 후 컴퓨터를 비롯한 일렉트로닉스 기술이 급속하게 발전하였습니다. 현재의 풍요로운 생활에 대한 기여도를 생각하면, 발명자인 W. 쇼크레, J. 버딘, W. 브랫틴의 3명의 물리학자가 노벨상을 수상한 것은 당연한 것이라 할 수 있습니다.
앞으로 트랜지스터에 필적할 만한 발명이 있을지는 모르겠지만, 무엇보다 트랜지스터가 현대에 큰 영향을 미쳤다는 점은 틀림없는 사실입니다.
2. 게르마늄에서 실리콘으로의 대체
발명 당시 트랜지스터는 게르마늄이라는 물질 (반도체)로 만들어졌습니다.
그러나 게르마늄은 약 80°C 정도에서 파괴된다는 결점이 있어, 지금은 대부분이 실리콘으로 대체되었습니다. 참고로 실리콘은 약 180°C 정도의 열에도 견딜 수 있는 물질입니다.
트랜지스터의 종류
다음 페이지에서는 트랜지스터를 구조, 허용 전력, 집적성, 형상으로 분류하여 소개하겠습니다.
