디지털 트랜지스터란?

디지털 트랜지스터는 저항기를 내장한 트랜지스터로, 스위칭을 효율적으로 제어합니다.
기존의 트랜지스터는 외장 저항기가 필요하지만, 디지털 트랜지스터는 저항기를 내장하여 회로 설계를 위한 공수가 줄었을 뿐만 아니라, 부품수도 줄어 기판 면적도 소형화할 수 있습니다.
디지털 트랜지스터는 디지털 신호 처리나 제어 회로에 폭넓게 사용되고 있으며, 스마트폰이나 가전제품 등 생활 주변에서 많이 사용되는 전자기기에 있어서 중요한 역할을 담당합니다.

I_O와 I_C의 차이점

I_C : 구성 트랜지스터에 흘릴 수 있는 전류의 최대 이론치
I_O : 디지털 트랜지스터로서 사용 가능한 전류의 최대치

해설

DTA/C 시리즈의 경우, 디지털 트랜지스터를 구성하는 트랜지스터는 100mA의 전류를 흘릴 수 있습니다.
이것을 I_C=100mA로 정의합니다. 이러한 구성의 트랜지스터에 저항 R₁, R₂를 내장하면 디지털 트랜지스터가 됩니다.
이러한 디지털 트랜지스터에 I_C=100mA를 흘릴 때, 베이스 전류 I_B는 그에 상응하는 수치가 요구되기 때문에, 결과적으로 높은 입력전압 Vin이 필요합니다.
그러나 한편으로는 절대 최대 정격에 의해 입력 저항 R₁의 전력 허용치 (패키지 파워)에서 입력전압 Vin (max)이 정의되어 있습니다. 따라서 I_C=100mA를 흘릴 때, 절대 최대 정격을 초과하게 되므로, 이 Vin (max)을 초과하지 않고 디지털 트랜지스터에 흘릴 수 있는 전류치를 I_O로 정의하고 있습니다.
잘 알려진 바와 같이, 절대 최대 정격은 「동시에 두개의 항목 이상을 공급할 수 없다」고 정의되어 있습니다. 따라서, I_C만 표기해도 특별히 문제는 없지만, 고객 측에서 실제로 사용하는 상태에 맞추어, I_O를 병기하고 있습니다.
이와 같이 회로 설계 검토 시에는 I_O가 절대 최대 정격이 됩니다.

G_I와 h_FE의 차이점

h_FE : 구성 트랜지스터로서의 직류 전류 증폭률
G_I : 디지털 트랜지스터로서의 직류 전류 증폭률

해설

G_I와 h_FE는 모두 이미터 접지 직류 전류 증폭률을 나타내는 것입니다.
디지털 트랜지스터는 일반적인 트랜지스터에 저항을 2개 접속한 것입니다.
여기에서 직류 전류 증폭률은 출력전류 / 입력전류이므로, 입력 저항 R₁로 인해 증폭률이 저하되지는 않습니다. 따라서 입력 저항 R₁만 있는 타입은 증폭률을 h_FE로 나타내며, 구성 트랜지스터의 h_FE와 동일한 값이 됩니다.
그러나, E-B 간 저항 R₂를 배치하면 입력전류는 구성 트랜지스터에 흐르는 전류와 E-B 간 저항 R₂에 흐르는 전류로 분류 (分流)됩니다.
따라서, 증폭률은 단품인 경우보다 저하되며, 이 값을 G_I로 호칭하여 구별하고 있습니다.

온도 변화로 인한 저항의 편차

주위 온도로 인해 V_BE, h_FE, R₁, R₂가 변화합니다.
h_FE의 온도 변화율은 약 0.5%/°C
V_BE의 온도 계수는 약 -2mV/°C (-1.8～-2.4mV/°C의 범위에서 편차가 발생합니다.)

R₁의 온도 변화율은 하기 그래프와 같습니다.

출력전압 - 출력전류 특성의 저전류 영역
(디지털 트랜지스터의 경우)

디지털 트랜지스터의 출력전압 - 출력전류 특성은 하기의 측정 방법을 통해 측정합니다.
따라서, I_O (저전류 영역)에서는 구성 트랜지스터의 베이스에 전류가 흐르지 않게 됩니다.
이에 따라 저전류 영역에서는 출력전압 V_O [V_CE(sat)]가 상승합니다.

측정 방법으로는, DTC114EKA의 경우 I_O/Ii=20/1로 측정하였습니다.
Ii=I_B+I_R2에서 (I_R2=V_BE/10k=0.65V/10k=65μA)
I_B=Ii-I_R2=Ii-65μA 즉 Ii가 65μA 이하가 되면 I_B에는 전류가 흐르지 않게 되어 V_O [V_CE(sat)]는 상승합니다.
이에 따라 저전류 영역에서는 V_O를 측정할 수 없습니다.

디지털 트랜지스터의 스위칭 동작

①트랜지스터의 동작

NPN 트랜지스터를 동작시키기 위해서는 그림 1과 같이 전압을 인가합니다.
이 회로에서는 베이스 (B) - 이미터 (E) 사이에 순방향 전압을 인가하여 베이스 전류를 주입합니다.
즉, 베이스 (B) 영역에 +홀을 주입합니다.
베이스 (B) 영역에 +홀이 주입되면, 이미터 (E)의 자유전자 -가 베이스 (B)에 끌려오지만, 베이스 (B) 영역이 매우 얇기 때문에 콜렉터 전압 인가에 따라 베이스 (B) 영역을 통과하여 콜렉터 (C)로 자유전자가 흐르게 됩니다. 이에 따라 전류는 콜렉터 (C) → 이미터 (E)로 흐릅니다.

②스위칭 동작

트랜지스터의 동작에는 증폭 작용과 스위칭 작용이 있습니다.
증폭 작용에는 베이스 전류 I_B를 흘림으로써 h_FE배로 증폭된 콜렉터 전류 Ic가 흐릅니다.
활성 영역 내에서 입력 신호를 통해 콜렉터 전류를 연속적으로 제어함으로써 출력전류를 얻을 수 있습니다.
스위칭 작용에서 on 시에는 전기적으로 포화된 상태 (콜렉터 - 이미터 간 포화 전압을 낮춤)에서 사용합니다.

여기에서 포화 영역이란 +홀이 과잉 주입된 상태로 이 상태에서 차단 영역이 되면 (입력 펄스를 단절) 과잉 주입된 +홀이 베이스 영역에서 베이스 단자로 방출됩니다. 베이스 영역 내의 홀이 없어질 때까지 콜렉터 전류가 계속 흐릅니다. 이 시간을 tstg (OFF 시간)라고 합니다.
여기에서 베이스 영역 내의 +홀을 빨리 방출시키면 OFF 시간이 빨라집니다. 디지털 트랜지스터의 경우, 트랜지스터 OFF 시 베이스 영역 내 +홀의 방출 경로는 R₁과 R₂의 병렬 접속 부분입니다. 이때 R₁이 일정하다고 가정하면 R₂가 작은 쪽이 OFF 시간을 빠르게 할 수 있습니다.