전기 #4 - 트랜지스터와 바이어스 전압

 

 

원래 트랜지스터는 큰 비중을 차지하지 않았고

특히 바이어스 전압이라는건 최근에 교육과정에서 처음 들어온 개념이라

기출 자체가 몇개 없다.

6월 9월 모평에서 내놓고 아직 수능엔 안나왔다.

개인적인 생각인데 올해 수능에 나올거같다.

 

물리I의 반도체 단원을 알고있다고 가정하고 진행합니다.

모르면 읽고 올것 https://zhonya.tistory.com/13?category=996051 

물질의 구조와 성질 #4 - 반도체와 다이오드

 

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- 트랜지스터 -

 

p-n 접합 반도체에

p형이나 n형 반도체를 추가하여 만든 전기 소자다.

p-n-p형과 n-p-n 형이 있다.

저 그림은 p-n-p 형 반도체이다.

여기서 두 반도체 사이에 낀 반도체는

두 반도체에 비해 두께가 매우 얇다.

여기서 p-n 반도체쪽에다가 순방향 연결했다고 해보자.

그러면 n형 반도체에 있는 전자가

p형 반도체에 있는 양공과 결합하며

전류가 흐르게 된다.

근데 여기서 오른쪽의 잘린부분에다가

적당히 센 전지를 역방향 연결하면 어떻게될까?

원래 역방향연결하면 전류가 흐르지 않는다고 배웠는데

여기서 핵심은

사이에 낀 n형 반도체가 엄청나게 얇다.

즉 아까 순방향연결해서 p형반도체의 양공과 n형반도체의 전자가 결합할때

p형 반도체의 양공이 압도적으로 많기때문에

p형반도체의 양공이 남아돌게된다.

근데 적당히 강한 전지를 저렇게 오른쪽부분에다 역방향 연결하면

오른쪽 p형반도체의 오른쪽 부분이 (-)극을 띠고

따라서 매우 얇은 n형 반도체를

왼쪽 p형반도체의 양공이 넘어갈수 있게된다.

따라서 저 도선의 오른쪽 부분에 전류가 흐르게 된다.

근데 아까 n형 반도체가 매우 얇다고 했다.

따라서 아까 순방향연결에서 전자와 양공으로 인한 전류보다

강한 역방향연결에서 양공의 이동으로 인한 전류가 훨씬 세다.

근데 왜 강한 전지를 연결한걸까?

저 그림처럼 Ib는 두 갈래로 갈라져서 갈 수 있는데

그러지 못하도록 강한 전지를 연결해서

한 방향으로만 전류가 흐르게 한것이다.

따라서 이 식이 성립하게 된다.

근데 왜 전류의 기호가

IE_ , IB_ , IC_ 일까?

트랜지스터에서 각 단자의 명칭을 따온거다.

왼쪽부터 이미터, 베이스, 컬렉터 이다.

E = Emitter( 방출한다 )

B = Base

C = Collector( 수집한다 )

즉 이미터와 베이스를 순방향 연결하고,

베이스와 컬렉터를 역방향 연결한것이다.

 

n-p-n형 반도체도 이것과 같은 원리다.

사이에 낀 p형 반도체가 매우 얇아 전자가 p형 반도체를 넘어가게되고

전자의 흐름 방향의 반대로 전류가 흐른다.

 

- 참고사항 -

순방향 연결 = 순방향 전압 = 순방향 바이어스 모두 같은말이다.

역방향 연결 = 역방향 전압 = 역방향 바이어스 모두 같은말이다.

 

 

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- 회로에서의 트랜지스터 기호 -

 

이런식으로 표현된다.

화살표의 방향 = 전류의 방향 이라 해석하면 된다.

이미터와 베이스는 순방향연결 하는데

저기선 이미터에서 베이스로 전류가 흘렀으므로

이미터가 p형반도체, 베이스가 n형반도체라서

p-n-p형 반도체임을 알 수 있다.

이건 전류가 베이스에서 이미터로 흐른다.

근데 이미터와 베이스는 순방향연결 하므로

E는 n형, B는 p형 반도체이고

따라서 저건 n-p-n형 반도체임을 알 수 있다.

 

 

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- 공통 이미터 회로 -

 

말 그대로 이미터를 공통으로 쓰는 회로이다.

방금전까지 한건 공통 베이스 회로였다.

저기 n, p, n을 가려도 무슨 트랜지스터인지 찾아낼 수 있어야한다.

두 트랜지스터와 순방향 연결된부분이 B전지 부분이고

전류의 방향이 시계방향이니까

베이스는 p형, 이미터는 n형 반도체이다.

사실 이미터를 공유한다는것만 빼면 아까와 똑같이 하면 된다.

 

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- 트랜지스터의 증폭 작용 -

 

트랜지스터는 컬렉터 전류가 베이스 전류에 비례하는 성질이 있고

이를 등식으로 나타내면 다음과 같다.

이때 β를 전류 증폭률이라 한다.

이 값은 20~500 정도가 된다.

따라서 베이스 전류를 가지고 큰 컬렉터 전류를 만들수 있다.

즉 전류의 증폭이 일어났다.

보청기나 볼륨조절장치에 이게 쓰인다.

 

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- 트랜지스터의 스위칭 작용 -

이때 회로에 흐르는 전류는 몇일까?

0이다.

왜냐면 일단 이미터와 베이스 사이에는 전류가 흐를수없다.

도선 자체가 끊어져있기 때문이다.

그리고 오른쪽 부분은

역방향 연결이기 때문에 전류가 흐를 수 없다.

따라서 이때 흐르는 전류는 0이다.

그리고 당연히 베이스에 흐르는 전류도 0이다.

왜 베이스에 흐르는 전류가 0인걸 강조하냐면,

베이스에 흐르는 전류가 0이면

회로에 흐르는 전류가 0이 된다.

IB_가 0이면 IC_도 0

IB_, IC_ 가 0이니 IE_ 도 0

 

따라서 이런 결론이 나온다.

베이스에 전류가 흐른다 : 회로에 전류가 흐른다

베이스에 전류가 흐르지 않는다 : 회로에 전류가 흐르지 않는다

 

베이스의 전류만 껐다 켰다 하면 회로 전체의 전류를 껐다켰다 할수있다.

이를 트랜지스터의 스위칭 작용이라고 한다.

 

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- 장벽 전위차 -

말 그대로 장벽이 되는 전위차이다.

무슨 장벽?

이 그림처럼

p형 반도체가 n형 반도체로 넘어가게 해줄때의 장벽

p-n 접합이 형성되는 순간

접합면을 확대해서 보면

p형반도체에서 양공이 접합면으로 이동하고

n형반도체에서 전자가 접합면으로 이동한다.

여기서 양공이 접합면을 넘어 n형 반도체에있는 전자들과 결합하고

전자들도 접합면을 넘어 p형 반도체에 있는 양공들과 결합한다.

그러면 p형 반도체의 오른쪽 끝은

양공과 전자들이 다 결합해서 (-)극을 띠고

n형 반도체의 왼쪽 끝은

양공과 전자들이 다 결합해서 (+)극을 띠게 된다.

즉 전지에 의한 전위차에 반대되는 전위차가 생기게 된다.

따라서 양공이 이를 뛰어넘어서 이동하려면

이 전위차를 극복할 수 있는 기본적인 순방향 전압을 걸어줘야하고

이때 이 전위차를 장벽 전위차라고 한다.

상온 25℃에서의 실리콘은

0.7V 정도의 장벽 전위차를 갖는다고 한다.

즉 이 실리콘을 가지고 트랜지스터를 만들었고

상온 25℃라면

순방향 전압을 최소 0.7V는 걸어야 전류가 흐를수 있다는거다.

 

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- 바이어스 전압 -

베이스 단자쪽에 이런 식의 입력 신호가 들어왔다고 해보자.

컬렉터 단자쪽에 신호가 출력된다.

입력 신호는 (+)방향도 있고 (-)방향도 있다.

그러면 트랜지스터의 스위칭 작용에 의해

한쪽 방향의 신호는 감지하지 못하고 결국 저런 신호가 출력된다.

입력한 그대로 출력시켜야 하는데 그러지 못하고 있는것이다.

그러면 저 신호를 전부 살려서 출력시키려면 어떻게 하면 될까?

저 신호를 전부 (+)방향이 되도록 위로 올려주면 된다.

이때 걸어주는 전압이 '바이어스 전압'이다.

어느정도의 바이어스 전압을 걸어주면

저 신호는 모두 x축 위에 있게 되어

신호를 그대로 다 받을수 있는것이다.

이때 저 빨간 동그라미 친 부분이 바로 바이어스 전압이다.

 

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- 바이어스 전압의 최솟값 -

 

진폭이 최대 +0.2V에서 최소 -0.2V까지 진동하는

입력 신호가 들어왔다고 해보자.

이때 입력신호를 손실 없이 모두 출력 신호로 보내기 위해 걸어줘야 하는

바이어스 전압의 최솟값을 구해보자.

우선 진폭이 +0.2V에서 -0.2V니까

전부 x축 위에 있도록 하려면

0.2V만큼 더해줘야하고

또 이미터와 베이스 사이의 장벽 전위차가 존재하기때문에

이만큼을 또 더해줘야한다.

장벽 전위차를 0.7V라 하겠다.

그럼 최종적으로

바이어스 전압의 최솟값은 0.2V+0.7V = 0.9V 가 된다.

 

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- 예제 -

1 )

2018학년도 9월 모평 물리I 12번

 

p-n-p형 트랜지스터의 작동 원리를 그대로 옮겨적어놨다.

이거 틀리면 이해못한거니까 다시읽자.

 

p-n-p형 트랜지스터의 이미터와 베이스 사이에 (순방향)을,

컬렉터와 베이스 사이에 (역방향) 전압을 걸어주면

이미터에서 베이스로 이동한 양공의 대부분이

베이스를 통과하여 컬렉터에 도달한다.

이러한 전기적 성질 때문에

컬렉터에 흐르는 전류 (I₂)는

이미터와 베이스 사이의 전압 변화에 영향을 받는다.

따라서 답은 2번

 

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2 )

2021학년도 6월 모평 물리II 6번

 

ㄱ)

A는 이미터이고 B는 베이스이고 C는 컬렉터이므로

Ia = Ib + Ic 이다.

따라서 ㄱ(o)

 

ㄴ)

이미터와 베이스 사이에는 순방향 전압이 걸려있으므로

전류가 흐르는것이다.

따라서 ㄴ(o)

 

ㄷ)

이미터와 베이스 사이에 순방향 전압이 걸려있고

전류의 방향이 시계방향이므로

이미터(A)는 p형 반도체

베이스(B)는 n형 반도체이다.

따라서 컬렉터(C)는 p형 반도체이다.

따라서 ㄷ(x)

 

따라서 답은 3번

 

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3 )

2020년 7월 모의고사 물리I 13번

 

ㄱ )

이미터와 베이스 사이에는 순방향 전압이 걸려있다.

따라서 저 회로의 그림상

베이스에서 이미터로 전류가 흘렀다.

따라서 베이스는 p형이고 이미터는 n형이므로

n-p-n형 트랜지스터이다.

따라서 ㄱ(o)

 

ㄴ )

트랜지스터는 B와 E 사이에 걸리는 전압을 조절하여

컬렉터 쪽에 흐르는 전류를 조절할 수 있다.

따라서 ㄴ(x)

 

ㄷ )

가변 저항에 걸리는 전압이 작아지면

B쪽에 흐르는 전류가 작아지고

Ic는 Ib에 비례하므로

C쪽에 흐르는 전류도 작아진다.

따라서 ㄷ(x)

 

따라서 답은 1번