열정적으로 행동하자!!

트랜지스터는 규소나 저마늄으로 만들어진 반도체를 세 겹으로 접합하여 만든 전자회로 구성요소이며 전류나 전압흐름을 조절하여 증폭, 스위치 역할을 한다. 가볍고 소비전력이 적어 진공관을 대체하여 대부분의 전자회로에 사용되며 이를 고밀도로 집적한 집적회로가 있다.

 

 

 [회로] Transistor-BJT|모카

http://blog.naver.com/starhong5/120025098764

 

▶ 스위치 역할

실제 상황에서는 단순히 논리적인 On/Off 만 필요한 것이 아니라 ON을 시켰을 때 그 선로를 통해서 충분한 전류가 흘러가야 원하는 동작이 되는 경우가 많다. 그냥 MCU에서 나오는 IO 포트에 LED 하나를 곧바로 연결하고 그 IO 포트로 ON 신호만 보내보면 LED 에 불은 들어온다. 하지만, 그 불은 아주 희미하게 들어온다. 전압차원에서만 보면 LED를 구동시킬 수 있을 정도의 신호, 즉 ON 신호가 들어오지만 그곳으로 흘러드는 전류가 너무 약하기 때문이다. 따라서 이럴 경우에는 단순한 스위치만 필요한 것이 아니라 그 스위치가 ON 되었을 때 충분한 전류까지 공급할 수 있는 장치까지 함께 필요한 것이다. 이런 목적으로 사용되는 것이 트랜지스터이다.

아래의 회로를 보자. PWM1 이라는 핀에서 나온 전선이 하나의 저항을 지나서 트랜지스터의 가운데 선(베이스)으로 연결되어 있다. 이 회로에서 PWM1을 통해서 High 신호가 가게되면 트랜지스터의 윗 부분에 연결되어 있는 LED 에 불이 들어오고, PWM1에서 Low 신호를 보내면 LED 의 불이 꺼진다. 물론 MCU 에 따라서는 이렇게 별도의 트랜지스터를 달지 않더라도 조그만 LED 하나 정도는 그냥 켤 수 있는 정도가 많지만, 이곳에 연결된 LED 가 많은 전력을 소모하는 것일 경우나 LED 가 아니라 모터와 같은 장치가 연결되어 있을 경우에는 이처럼 외부에 트랜지스터를 달아줘야 한다.

트랜지스터 - 스위치, 구동회로

 

트랜지스터의 종류

▶ 접합형 트랜지스터(BJT, bi-polar junction transistor)

BJT 타입은 아날로그회로나 디지털 회로 모두에서 사용될 수 있는 것으로 아날로그 회로에서는 주로 전류 증폭의 목적으로 사용되고, 디지털 회로에서는 스위치 목적으로 사용된다. 회로 기호로는 다음과 같다. BJT 에는 다음과 같은 두 가지 종류가 있다. 하나는 NPN 이라고 부르고 다른 하나는 PNP 라고 부른다.

이 둘의 차이점을 좀 더 구체적으로 이해하려면, 이들이 동작을 했을 때가 어떤 상태인지를 이해해야하는데, 이들이 동작 중일 때에는 다음과 같은 상태가 된다. 빨간색으로 표시한 부분이 전류가 흐르는 방향을 나타낸 것이고, 화살표의 굵기는 전류의 양을 나타낸다. 다시 말하면 굵기가 굵을수록 전류가 많이 흐른다는 의미.

위의 그림을 보면, Base 부분에 조그만 Control Current를 흘리면 트랜지스터를 통해서 엄청난 양의 전류가 흐르게 된다는 것을 알 수 있다. NPN 과 PNP 의 차이점은 NPN의 경우에는 Base 쪽에 전류를 집어넣는 방식으로 트랜지스터를 동작시키고 PNP 의 경우에는 Base를 통해서 전류를 뽑아내는 방식으로 트랜지스트를 동작시킨다는 것을 알 수 있다.

Control Current 의 방향은 다르지만, 이 둘의 공통점은 아주 작은 컨트롤 신호를 주면 엄청난 양의 전류가 트랜지스터를 통해서 흘러간다는 것이다.

그렇다면, Control Current 의 양과 Driving Current 의 양은 어느 정도 차이가 날까? 이 양의 차이를 나타내는 지표를 라고 하는데, 일반적인 용도의 경우에는 보통 다음과 같은 값을 갖는다. 다시 말하면, 컨트롤 전류의 약 10 배에서 20 배 정도의 전류가 트랜지스터를 통해서 흐르게 된다는 것이다.

실제 회로에서는 트랜지스터를 아무리 동작시켜도 위의 그림에서와 같은 빨간색 화살표는 나타나지 않는다. 그렇다면, 이 트랜지스터가 제대로 동작하는지 어떻게 확인할 수 있을까?? 가장 간단한 방법은 다음에 표시한 두 지점에서 전압을 측정해보는 것이다. 그림에서 표시한 지점에 전압계를 연결해서, 두 지점의 전압이 다음 그림과 같으면 동작 OK 라는 의미입니다.

지금까지 설명한 내용을 실제 BJT 에 대한 데이터 시트에서 확인해보면 다음과 같다. 참고로 아래의 데이터 시트는 ASN 사의 2N2219A 라는 제품에 대한 것입니다. 실제 데이터 시트를 보고 싶으신 분은 이곳을 클릭하세요.

BJT 중에서는 NPN 타입을 가장 많이 사용하기 때문에 우선 NPN을 기준으로 설명을 하면 다음과 같다.

- 우선 트랜지스트에 연결해서 사용할 장치(Load)가 필요로하는 전류의 양(Load Current)를 조사한 다음, 트랜지스터 스펙을 뒤져서 max Ic (최대 Collector Current) 값이 Load Current 보다 큰 것을 선택한다. 그런데, Load Current를 어떻게 아냐구요? 그것은, 우리가 만들고자하는 설계 사양으로 직접 주어질 수도 있고, 그렇지 않을 경우에는 다음과 같은 공식을 사용해서 Load Current를 계산하면 된다. 물론, 이 식을 사용하기 위해서는 구동전압(Supply Voltage)을 얼마로 할지와 장치의 저항(Load Resistance)가 얼마인지를 알고 있어야 하겠지요.

- 트랜지스터의 minimum current gain() 값이 Load Current 보다 최소한 5 배 이상은 되는 것으로 선택한다.

- 위의 두가지 기준만으로도 대략적인 선택은 마칠 수 있을 것이라 생각한다. 이 트랜지스터를 사용하기 위해서는 Base 부분에 저항을 달아주어야 하는데, 이제 그 저항값을 계산할 차례이다(이 저항을 달아주지 않을 경우에는 그쪽으로 과전류가 흘러서 트랜지스터를 망가뜨려 버릴 수도 있기 때문이다). 이 저항값을 계산하는 공식은 다음과 같다.

- 이번에도 역시 사용에 관한 문제인데... 혹씨 이 트랜지스터가 스위칭하는 장치가 Inductive Load(모터나 코일)일 경우에는 Protection Diode를 달아주어야 한다는 것을 잊지 말아야 할 것이다. 그렇지 않으면, 트랜지스터가 Off 되는 순간 Load Coil에서 Back EMF 가 발생해서 트랜지스터를 망가 뜨릴 수 있기 때문이다.

▶ 전계효과 트랜지스터(FET, Field effect transistor)

FET는 두가지가 있다.

바이어스를 가할 시에 금속-실리콘으로 구성되어 있는 소자는 바이어스상황에 따라 p-n접합의
형성으로 인해서 같은 n형이나 p형에서의 전류를 조절해주는 JFET
금속-절연체-실리콘으로 구성이 되어 있는 상태에서 실리콘내에 강한 반전을 유도함으로 해서 드레인과 소스사이의 전류의 흐름을 조절할 수 있는 MOSFET

 

• JFET

JFET, 용어는 Junction Field Effective Transistor 라는 말이다.

회로 기호로는 다음과 같다.

바로 전류를 사용하지 않고 전압을 사용한다는 그러한 성질 때문에 JFET을 설명할 때 늘 말하는 두 가지 특징이 있다.

 - very high input impedance

 - very low leakage current

보면 둘다 전류에 관한 것이고, 한마디로 '전류가 흘리기 아주 힘들다'라는 의미라는 것을 알 수 있다. 어디를 통하는 전류를 말하는 것인가? input 에 관한 것이므로 Gate 부분을 통해서 흐르는 전류를 말하는 것이다.

Gate source cutoff voltage : 기호로는 Voff,gs 라고 나타내기도하고 Vgs(off) 로 나타내기도 하는데, 의미는 gate-source cutoff voltage 라는 것이다. 무슨 말인고하니, Gate 와 Source 사이에 걸리는 전압이 Vgs(off) 이상이 되면 그 JFET 은 0 옴짜리 저항처럼 동작한다는 것이다. 즉, JFET 이 open circuit 처럼 동작한다는 것이다.

Drain source breakdown voltage(BVds) : Drain Source break down voltage 라는 것으로, 만약 Drain 과 Source 사이에 걸리는 전압이 BVds 값 이상이 되어 버리면, Gate 에 걸리는 전압에 상관없이 무조건 그 JFET을 통해서 전류가 흘르 버린다는 것이다. 한마디로 이 지경이 되면 Tr 이 망가진다는 의미겠지요.

◈ JFET 사용용도

BJT를 통해서 흐르게 되는 leakage current의 양을 감당하지 못하는 회로의 경우에는 그곳에 BJT 대신 JFET을 사용하는 것이 보통이다(하지만, BJT 는 JFET 에 비해서 gain 도 더 크고 선형적 특성도 좋기 때문에.. 경우에 따라서는 leakage current를 줄이겠다고 무조건 BJT를 JFET 으로 바꿔치기가 곤란한 상황도 발생한다).

그리고, BJT 에 비해서 FET 은 동작 속도로 빠르고, power 방출량(열 방출량)도 적기 때문에 digital 회로의 경우에는 BJT 보다는 FET 계열을 사용하는 것이 좋은데, 사실 Digital 회로의 경우에는 JFET 보다는 MOSFET을 더 많이 사용한다(MOSFET 은 JFET 보다 input impedence 가 더 크다).

회로 기호로는 다음과 같다.

- 드라이브 회로가 간단하다.

- second-breakdown failure mechanism 이 없다(열에 대한 내성이 강해진다).

- BJT 가 Current Driven 방식인데 비해서, MOSFET 은 Voltage Driven 방식이다.

- FET는 입력 임피던스가 매우 높습니다. 게이트를 구동할수 있는 전압만 있다면 전류가 조금 필요합니다. 단 출력임피던스도 높다.
- FET는 간단한 구조로 소형으로 만들 수 있고 전력소비가 적으므로 특히 대규모 IC에 적합 하다. (마이크로프로세서, 메모리등)
- 잡음이 BJT보다 적으므로 특히 신호레벨이 낮은 초단증폭기에 적당하다. (JFET)
- 전압가변저항, 전류원으로 유용하다. (모터제어, SMPS제어등)
- BJT보다 특성이 온도에 덜 예민하고 열폭주가 안 일어난다.
- 스위칭소자로서 사용할 때 오프셋전압이 없고 또 그라운드에서 플로팅 시켜서 사용할 수도 있다.

 

 

 네이버 지식인

 http://kin.naver.com/&enc=utf8&pid=fAhondoi5UKssu5lh8Ksss--161763&sid=SiXL-huvJUoAAGOYUQc

이것이 N-channel MOSFET 입니다. 게이트에서 전압(+) 을 걸어주면 P-type 기판의 소수캐리어인 전자가 산화막근처에 몰려들어 반전층을 형성하게 되죠. 그럼 양쪽의 소스에서 드레인으로 전자가 이동할 수 있게 됩니다.
소스에 전압을 걸어주면 전자가 드레인으로 흘러가서 결과적으로 전류가 흐르게 된다.
게이트전압을 걸어주지 않는다면, 반전층이 형성되지 않기 때문에 소스에 전압을 걸어주어도 전류가 흐르지 않습니다. 마찬가지로 게이트에 (-) 전압을 걸어주어도 반전층이 형성이 안되기 때문에 역시 전류는 흐르지 않습니다.
게이트 전압 (+) 을 문턱전압보다 약하게 걸어주면 역시 전류가 흐르지 않겠죠. 여기서 문턱전압이란 반전층이 소스에서 드레인 까지 형성되기 위한 것이라고 보면 될겁니다.

흔히 MOSFET 을 댐에 비교를 많이 하는데요. 여기서 소스는 '물', 드레인은 '펌프', 게이트는 '수문' 이라고 보시면 됩니다.