트랜지스터를 증폭기로의 활용
트랜지스터 정의
트랜지스터는 세 개의 단자(에미터, 베이스, 컬렉터)와 두 개의 접합부(베이스-에미터, 베이스-컬렉터)를 가진 반도체 장치로 정의됩니다.
트랜지스터는 세 개의 단자를 가진 반도체 장치입니다: 에미터(E), 베이스(B), 컬렉터(C). 이는 두 개의 접합부를 가지고 있습니다: 베이스-에미터(BE)와 베이스-컬렉터(BC). 트랜지스터는 세 가지 영역에서 작동합니다: 절단(완전히 꺼짐), 활성(증폭), 포화(완전히 켜짐).
트랜지스터가 활성 영역에서 작동할 때, 그들은 증폭기로서 작용하여 입력 신호의 강도를 크게 변화시키지 않고 증폭시킵니다. 이러한 행동은 전하 운반자의 움직임 때문입니다. npn 양극 접합 트랜지스터(BJT)가 활성 영역에서 작동하도록 바이어스된 경우, BE 접합부는 전방 바이어스되고 BC 접합부는 후방 바이어스됩니다.
npn 트랜지스터에서, 에미터는 고농도로 도핑되어 있으며, 베이스는 저농도로 도핑되어 있고, 컬렉터는 중간 농도로 도핑되어 있습니다. 베이스는 좁으며, 에미터는 넓고, 컬렉터는 가장 넓습니다.
베이스와 에미터 단자 사이의 전방 바이어스는 작은 베이스 전류(IB)가 베이스 영역으로 흐르게 합니다. 이 전류는 일반적으로 마이크로암페어(μA) 범위이며, VBE는 보통 0.6V 정도입니다.
이 과정은 전자가 베이스 영역에서 나가는 것 또는 구멍이 베이스에 주입되는 것으로 볼 수 있습니다. 주입된 구멍은 에미터로부터 전자를 끌어들여 구멍과 전자의 재결합을 유도합니다.
그러나 에미터보다 베이스의 도핑이 적기 때문에, 전자가 구멍보다 더 많습니다. 따라서 재결합 효과 이후에도 많은 전자가 자유롭게 남아 있게 됩니다. 이러한 전자들은 좁은 베이스 영역을 지나 컬렉터 단자로 이동하며, 컬렉터와 베이스 사이에 적용된 바이어스에 의해 영향을 받습니다.
이는 컬렉터 전류 IC가 컬렉터로 흐르는 것을 의미합니다. 이를 통해 베이스 영역으로 흐르는 전류(IB)를 변형함으로써 컬렉터 전류 IC의 큰 변화를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 이것이 바로 전류 증폭이며, npn 트랜지스터가 활성 영역에서 작동할 때 전류 증폭기로 작용한다는 결론을 내릴 수 있습니다. 관련 전류 이득은 수학적으로 다음과 같이 표현할 수 있습니다-
이제 npn 트랜지스터의 베이스와 에미터 단자 사이에 입력 신호를 적용하고, 출력은 컬렉터와 베이스 단자 사이에 연결된 부하 저항 RC를 통해 수집되는 경우를 고려해보겠습니다. 이는 Figure 2에서 보여줍니다.
이제 npn 트랜지스터의 베이스와 에미터 단자 사이에 입력 신호를 적용하고, 출력은 컬렉터와 베이스 단자 사이에 연결된 부하 저항 RC를 통해 수집되는 경우를 고려해보겠습니다. 이는 Figure 2에서 보여줍니다.
또한, 트랜지스터는 적절한 전압 공급(V EE 및 VBC)을 사용하여 항상 활성 영역에서 작동하도록 보장됩니다. 여기서 입력 회로의 저항이 낮기 때문에(전방 바이어스 조건으로 인해) 입력 전압 Vin의 작은 변화가 에미터 전류 IE를 크게 변화시킵니다.
이는 컬렉터 전류가 거의 동일한 범위로 변화하는 원인이며, 이는 고려되는 경우 베이스 전류의 크기가 상당히 작기 때문입니다. 이 컬렉터 전류의 큰 변화는 부하 저항 RC에 큰 전압 강하를 초래하며, 이는 출력 전압입니다.
따라서, 장치의 출력 단자에서 입력 전압의 증폭된 버전을 얻게 되며, 이는 회로가 전압 증폭기처럼 작동한다는 결론을 내릴 수 있습니다. 이 현상과 관련된 전압 이득의 수학적 표현은 다음과 같습니다
설명된 내용은 npn BJT에 대한 것이지만, pnp BJT에서도 유사한 유추가 성립합니다. 같은 맥락에서, 다른 종류의 트랜지스터인 필드 효과 트랜지스터(FET)의 증폭 작용을 설명할 수 있습니다. 또한, 트랜지스터의 증폭 회로에는 다양한 변형이 존재합니다.
첫 번째 집합: 공통 베이스/게이트 구성, 공통 에미터/소스 구성, 공통 컬렉터/드레인 구성
두 번째 집합: 클래스 A 증폭기, 클래스 B 증폭기, 클래스 C 증폭기, 클래스 AB 증폭기
세 번째 집합: 단일 단계 증폭기, 다단계 증폭기 등. 그러나 기본적인 작동 원리는 동일합니다.
