트랜지스터 원리

과학적 원리를 탐구하고 싶은 사람은 위키, 나무위키, 정보통신기술용어를 참조해서 공부하세요. 본 문서는 트랜지스터가 증폭기로 사용된 이유에 대한 설명을 주로 담습니다.

 

트랜지스터의 조상부터 알아보자.

태초에 빅뱅이 있었고 원소를 낳았다.
원소 중에는 최외각 전자를 4개 가지는 실리콘(Si)을 낳았다.
이 실리콘 원소는 모여 살게 되었으며(공유결합) 우리는 이것을 반도체(Semi-Conductor:영어로는 도체랑 비슷한것인데 한문으로는 반은 도체이고 반은 부도체라는 의미로 번역된 것 같다.)라고 말한다. 도체의 반댓말은 부도체이다.
반도체를 도체로 만들고 싶어서 3가 원소와 5가 원소를 데려왔으며 이의 자식이 각각 P형 반도체와 N형 반도체이다.
P형 반도체와 N형 반도체는 결혼하여 다이오드를 낳았다.
다이오드는 PNP, NPN 트랜지스터를 낳았다.
(외전:트랜지스터는 PNPN(NPNP)의 SCR을 낳았고 다시 2개의 PNPN(NPNP)은 TRIAC을 낳았다.)
트랜지스터는 좁은 땅에 밀집해서 살기 시작했고 우리는 이를 IC, LSI, VLSI라고 불렀다.
이후 트랜지스터는 스냅드래곤이라는 이름을 가진 걸출 한 영웅을 낳았다.

반도체는 온도가 상승하면 전도도가 상승한다. 즉, 발열현상이 일어나 온도가 상승하면 계속해서 전기가 더 공급된다. 그리고 그 끝은 사망이다. -_- 그래서 반도체는 냉각이 매우 중요하다. 일반적으로 전도도가 높은 금속과 같은 물질은 온도가 상승하면 전도도는 떨어진다. (전기히터를 예를 들면 온도가 상승하면 전도도가 떨어진다. 전도도가 떨어지면 저항값은 올라간다는 의미이다. 그래서 전기히터는 생각보다 안전하다. 왜냐면 저항이 계속 올라가면 전기는 차단되기 때문이다.) 

 

다이오드는 전류가 잘 흐르는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합한 소자이다. 접합해 놓고 보니, PN 방향으로 +와 -를 공급하면 전류가 흐르고 NP방향으로 +와 -를 공급하면 전류가 차단된다. P는 정공, N은 전자가 다수캐리어이다.

다이오드 형태와 회로도상에서의 표기

왜 그럴까? 역방향으로 전압원을 연결하면 NP에 전류의 흐름을 방해하는 공핍영역이 커지기 때문이라고 한다.

각각의 N형 P형 반도체는 극성에 관계없이 전류가 잘 흐르는데, 이 것을 붙여놓으면 어떨 땐 잘 전류가 잘 흐르고 반대로 붙이면 전류가 차단되다니!

사람들이 다이오드가지고 연구를 많이 했고 여러 기능들을 가진 다양한 형태의 다이오드가 만들어졌다. 

 

이제 트랜지스터를 만나보자. 

다이오드를 접합하면 트랜지스터가 된다.

먼저, PNP 트랜지스터는 PN 방향으로 정방향 바이어스, NP 방향으로 역방향 바이어스 되어있다.

 

(나만의 해석 시작)

여기서 좌측의 PN이 없다고 가정하면 우측의 NP는 공핍영역이 증가해서 전류가 흐르지 못한다. 그런데 좌측에 정방향 바이어스가 걸려있으면 정공이 넘어와 N형을 P형으로 오염시킨다. 그러면 역방향 걸린것처럼 행동하던 우측의 NP형은 PP가 되었으므로 전류를 매우 잘 흘려보낸다.

이것을 가운데 부분을 저항체라고 생각하면, 저항값을 조정하는 것으로 볼 수 있다. 그래서 Trans(이전, 변화)+Resistor(저항체)를 합성해서 트랜지스터라고 이름 붙였다. 

(나만의 해석 끝)

 

여기서 순방향 바이어스를 증가시키면 우측으로 전달되는 전류가 커지며 우리는 이것을 증폭기능이라고 이야기 한다. (중간을 베이스(B)라고 하는데 여기에 연결된 N형 반도체의 크기는 매우 작게 만들어 주어 정방향 바이어스로 인하여 증가된 정공을 우측으로 넘겨준다.)

 

그러면 위 그림과 같이 해석할 수 있으며 대부분의 전류는 좌측에서 우측으로 흐르게 된다. (중간의 베이스에 연결된 선을 제거해서 그렸다. 이유는 대부분의 전류가 베이스로 누설되지 않고 오른쪽으로 통과하기 때문이다.)

 

자 이제 회로도 상에서 표시 방법을 알아보자.

 

좌측도 우측도 모두 P로 끝난다. 회로도에 그려 넣을려면 위 그림말고 핀번호나 핀이름이 있어야 한다. 그래서 다음과 같은 기준을 세운다.

 

1. 정공을 발생해서 나가는 곳을 Emitter라고 한다. 전류의 방향이다.

2. 컬렉터는 수집하는 쪽인데... 전류가 없던곳에서 전류가 만들어지는 것처럼 보이니 컬렉터라고 이름붙인것 같다. (뇌피셜임)

3. 중간은 베이스라고 하자.

 

위 기준으로 만든 회로도를 아래에 보인다.

이미터, 컬렉터, 베이스 명명 법

한 점에 모이는 전류의 합에 관련된 규칙, KCL의 정리를 이용해서 위 회로도를 다시 그려보면 아래와 같다.

전류의 흐름

끝으로, 역방향 바이어스 전압은 순방향 바이어스 전압보다 크게 설계한다. 그러면, 낮은 순방향 전압을 조정해서 컬렉터 단자에 매우 큰 변화를 야기할 수 있다.