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1. BJT 원리는?
BJT(Bipolar Junction Transistor)는 전자 소자 중 하나로, BJT 원리를 이용해서 전류를 제어하고 증폭하는 데 사용됩니다.
이 소자는 전류를 제어하기 위해 세 개의 층으로 구성되어 있습니다
N 형 혹은 P 형 소재로 만들어진 베이스(B), 에미터(E), 그리고 베이스와 컬렉터(C) 사이에 위치한 컬렉터(C) 층으로 이루어져 있습니다.
BJT는 1947년 미국의 전자공학자 윌리엄 쇼크리와 월터 브라탄이 발명했습니다.
그 이후로 BJT는 전자 회로에서 중요한 역할을 하게 되었습니다.
이 BJT 원리와 주요 용도는 주로 전류 증폭과 스위칭입니다.
BJT는 전류가 가변적인 경우에 사용되며, 적은 전압으로 높은 전류를 증폭하거나 스위칭하는 데 유용합니다.
예를 들어, 오디오 앰프에서는 소리 신호를 증폭하기 위해 BJT를 사용하고, 디지털 논리 회로에서는 전압 신호를 이용해 스위칭을 수행합니다.
또한 BJT는 다양한 분야에서 사용됩니다.
주로 전자 제품의 회로에서 발견되며, 특히 산업 자동화, 통신, 전력 관리, 자동차 제어 등 다양한 분야에서 쓰입니다.
예를 들어, 자동차에서는 BJT 원리를 이용해서 엔진 제어, 브레이크 시스템, 에어백 등 다양한 기능을 수행하는 데 사용됩니다.
BJT는 전자 공학 및 회로 설계 분야에서 중요한 개념이며, 전자 기기의 동작을 이해하는 데 필수적입니다.
그러므로 BJT 원리와 개념 그리고 역사, 구조 그리고 주요 용도와 적용 분야에 대한 이해는 전자 공학 학습의 핵심입니다.
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2. 트랜지스터와 심볼
2-1) 트랜지스터(Transistor)란?
트랜지스터는 전자 소자로서, 진공 삼극관과 유사하지만 상대적으로 훨씬 작고 대칭적입니다.
“transfer”과 “resistor,”의 결합으로 이름이 지어진 이는 전류를 다양한 층을 통해 전달할 수 있는 능력을 나타냅니다.
트랜지스터는 주로 세 개의 반도체 재료 층으로 구성되어 있으며, 이는 주로 npn과 pnp 두 가지 형태로 나타납니다.
npn 구성에서는 두 층이 n-형 반도체 재료로 이루어져 있으며, pnp 구성에서는 두 층이 p-형 반도체 재료로 이루어져 있습니다.
게르마늄과 실리콘은 반도체 재료로 선호되는 이유는 그들의 반도체 특성 때문입니다.
이러한 재료에는 도핑이라는 공정을 적용하여 재료에 추가 전자를 도입하거나 구멍을 생성하여 전도도를 변경할 수 있습니다.
트랜지스터의 외층은 삽입된 p-형 또는 n-형 재료보다 상당히 넓으며, 일반적으로 10:1 또는 그 이하의 비율을 갖습니다.
이러한 넓은 외층은 트랜지스터의 기능에 중요한 역할을 합니다.
다이오드와 트랜지스터의 기본적인 차이점은 구성에서 나타납니다.
다이오드는 두 개의 층과 하나의 접합으로 이루어져 있지만, 트랜지스터는 두 개의 접합을 가진 세 개의 층으로 이루어져 있습니다.
이러한 구성으로 인해 BJT 원리에 따라서 트랜지스터는 다양한 기능을 수행할 수 있으며, 주로 on/off 스위치나 증폭기로 작동하여 입력에 따라 신호를 증폭하거나 전류의 흐름을 제어합니다.
2-2) 트랜지스터의 심볼(symbol)
트랜지스터 기호를 기억하는 쉬운 방법은 다음과 같습니다.
글씨를 쓸때 맨 마지막에 화살표를 붙이고 붙인 화살표를 보면 방향을 알 수 있습니다.
예를 들어, “P” 글자를 쓰면 맨 마지막은 안쪽으로 들어오게 글씨를 씁니다.
PNP의 경우에는 들어오는 화살표가 2개로 PNP 트랜지스터의 화살표 방향은 들어오게 됩니다.
반대로 NPN의 경우에는 “N”의 글자가 나가는 방향으로 2개이기 때문에 PN 트랜지스터의 화살표 방향은 나가는 방향입니다.
트랜지스터 기호에서 화살표는 실제로 전류의 흐름 방향을 나타냅니다.
PNP 트랜지스터의 경우, 전류는 에미터에서 베이스로 흐르고, NPN 트랜지스터의 경우에는 베이스에서 에미터로 흐릅니다.
PNP와 NPN 트랜지스터의 기호와 방향이 다르더라도, 두 종류의 트랜지스터가 수행하는 작업은 본질적으로 동일합니다.
둘 다 전자 회로에서 전류를 제어하는 증폭기 또는 스위치로 동작합니다.
BJT 원리에 따라서, 이러한 트랜지스터들은 기본적으로 동작하며 전류를 조절하고 증폭하거나 스위치로서의 역할을 수행합니다.
3. BJT 구조 및 구성
3-1) BJT 구조
PNP와 NPN 양극성 트랜지스터의 회로 기호에는 일반적으로 화살표가 있습니다.
이 화살표는 전류의 흐름 방향을 나타냅니다.
회로 기호에서의 화살표는 항상 베이스와 에미터 사이의 전류 흐름을 나타냅니다.
다시 말해, 화살표는 어느 방향으로든 에미터에서 베이스로 향하게 됩니다.
이러한 화살표의 방향은 양극성 트랜지스터의 두 가지 주요 유형인 PNP와 NPN 모두에서 동일합니다.
PNP 트랜지스터의 경우, 화살표는 베이스에서 에미터로 향하며, NPN 트랜지스터의 경우, 화살표는 베이스에서 에미터로 향합니다.
이러한 회로 기호에서의 화살표 방향은 전통적인 전류 흐름의 방향을 나타냅니다.
즉, 양극성 트랜지스터가 전자를 통과할 때 베이스에서 에미터로 이동하는 방향을 나타냅니다.
3-2) BJT 원리와 구성
양극성 트랜지스터(BJT)의 세 가지 주요 구성은 다음과 같습니다
공통 에미터, 공통 베이스 및 공통 콜렉터입니다.
이러한 구성은 트랜지스터의 사용 목적에 따라 선택됩니다.
각 구성은 고유한 특징과 장단점을 가지고 있으며 BJT 원리에 근거합니다.
3-2-1) 공통 에미터 구성 (Common Emitter Configuration)
BJT 원리에 따르면 공통 에미터 (CE) 구성은 양극성 접합 트랜지스터 (BJT)의 기본 구성 중 하나입니다.
이 구성에서 에미터 단자는 입력 및 출력 회로 사이에서 공통으로 사용되며, 베이스 단자는 입력 신호 원에 연결되고 콜렉터 단자는 출력 부하에 연결됩니다.
공통 에미터 증폭기 회로
- 구조
베이스 단자는 입력 신호 원에 연결됩니다.
에미터 단자는 그라운드 또는 공통 참조점에 연결됩니다.
콜렉터 단자는 출력 부하에 연결됩니다. - 입력 신호
입력 신호는 베이스와 에미터 단자 사이에 적용됩니다.
베이스-에미터 접합은 전진 바이어스가 되어 작은 베이스 전류로 많은 콜렉터 전류를 제어합니다. - 출력 신호
출력 신호는 콜렉터와 에미터 단자 사이에서 취해집니다.
콜렉터-에미터 접합은 역전 바이어스가 되어 트랜지스터가 증폭기로 작동합니다.
공통 에미터 전류 이득
공통 에미터 전류 이득은 주로 β (베타)로 표시되며, 베이스 전류 (IB)의 변경에 따른 콜렉터 전류 (IC)의 증가량을 나타내는 지표입니다.
공통 에미터 (CE) 구성은 양극성 접합 트랜지스터 (BJT)의 기본 구성 중 하나입니다.
이 구성에서 에미터 단자는 입력 및 출력 회로 사이에서 공통으로 사용되며, 베이스 단자는 입력 신호 원에 연결되고 콜렉터 단자는 출력 부하에 연결됩니다.
공통 에미터 증폭기 회로
- 구조
베이스 단자는 입력 신호 원에 연결됩니다.
에미터 단자는 그라운드 또는 공통 참조점에 연결됩니다.
콜렉터 단자는 출력 부하에 연결됩니다. - 입력 신호
입력 신호는 베이스와 에미터 단자 사이에 적용됩니다.
베이스-에미터 접합은 전진 바이어스가 되어 작은 베이스 전류로 많은 콜렉터 전류를 제어합니다. - 출력 신호
출력 신호는 콜렉터와 에미터 단자 사이에서 취해집니다.
콜렉터-에미터 접합은 역전 바이어스가 되어 트랜지스터가 증폭기로 작동합니다.
공통 에미터 전류 이득
공통 에미터 전류 이득은 주로 β (베타)로 표시되며, 베이스 전류 (IB)의 변경에 따른 콜렉터 전류 (IC)의 증가량을 나타내는 지표입니다.
이는 다음과 같이 정의됩니다
β=IC / IB
여기서
- IC는 콜렉터 전류입니다.
- IB는 베이스 전류입니다.
공통 에미터 전류 이득은 실제 트랜지스터 회로에서 십에서 수백까지의 범위에 일반적으로 분포합니다.
이는 공통 에미터 구성에서 트랜지스터의 증폭 능력을 나타냅니다.
3-2-2) 공통 베이스 구성 (Common Base Configuration)
BJT 원리에 따르면 공통 베이스 구성(Common Base Configuration)은 양극성 접합 트랜지스터(BJT)의 한 구성으로, 입력 신호가 베이스와 에미터 사이로 주어지며, 콜렉터는 공통으로 연결됩니다.
이 구성은 전기 회로에서 주로 전압 증폭기로 사용됩니다.
공통 베이스 트랜지스터 회로
- 구조
공통 베이스 구성에서는 베이스가 입력으로 사용되며, 에미터는 공통으로 연결되어 그라운드에 연결되거나 공통 참조점에 연결됩니다.
콜렉터는 출력으로 사용되며, 출력 신호를 취합하거나 부하를 구동하는 데 사용됩니다. - 입력 신호
입력 신호는 베이스와 에미터 사이에 주어집니다.
베이스와 에미터 간의 전압은 입력 전압에 따라 변화하며, 이는 베이스-에미터 전압(VBE)이라고도 합니다. - 출력 신호
콜렉터와 에미터 간의 전압은 출력 전압으로 사용됩니다.
콜렉터 전압은 콜렉터와 에미터 사이의 전압 감소에 따라 결정됩니다.
공통 베이스 전압 이득(Common Base Voltage Gain)
공통 베이스 구성에서 전압 이득(Av)은 출력 전압(Vout)과 입력 전압(Vin) 사이의 비율을 나타냅니다.
전압 이득은 다음과 같이 정의됩니다
Av=Vout/Vin
공통 베이스 구성의 전압 이득은 일반적으로 0.7에서 0.9 사이의 값입니다.
이것은 주로 입력과 출력 간의 전압이 강하게 증폭되지 않는다는 것을 의미합니다.
그러나 이 구성은 입력 신호를 저 임피던스에서 고 임피던스로 변환하는 데 유용하며, 고주파 증폭기와 임피던스 매칭 회로에서 주로 사용됩니다.
3-2-3) 공통 콜렉터 구성 (Common Collector Configuration 또는 Emitter Follower)
BJT 원리에 따르면 공통 콜렉터 (CC) 구성은 양극성 접합 트랜지스터 (BJT)의 기본 구성 중 하나입니다.
이 구성에서는 콜렉터가 입력과 출력 사이에서 공통으로 연결되며, 베이스는 입력 신호 소스에 연결되고 에미터는 출력 부하에 연결됩니다.
공통 콜렉터 트랜지스터 회로
- 구조
베이스 단자는 입력 신호 소스에 연결됩니다.
콜렉터 단자는 출력 부하에 연결됩니다.
에미터 단자는 그라운드 또는 공통 참조점에 연결됩니다. - 입력 신호
입력 신호는 베이스와 에미터 단자 사이에 적용됩니다.
베이스-에미터 접합은 전진 바이어스가 되어 작은 베이스 전류로 많은 에미터-콜렉터 전류를 허용합니다. - 출력 신호
출력 신호는 콜렉터와 에미터 단자 사이에서 취해집니다.
에미터-콜렉터 접합은 역전 바이어스가 되어 트랜지스터가 출력 신호를 취득합니다.
공통 콜렉터 전류 이득
공통 콜렉터 전류 이득은 트랜지스터의 전류 증폭 특성을 나타내는 지표입니다.
전류 이득(알파, α)은 콜렉터 전류(𝐼𝐶)와 베이스 전류(𝐼𝐵) 사이의 비율로 정의됩니다
α = IC / IE
- 여기서
- IC는 콜렉터 전류입니다.
- IE는 에미터 전류입니다.
공통 콜렉터 구성에서는 에미터와 콜렉터가 공통으로 연결되어 있으므로, 콜렉터 전류가 에미터 전류와 같습니다.
따라서 공통 콜렉터 전류 이득은 거의 1에 가깝습니다.
이 구성은 전압 증폭기로 사용되며, 입력 신호를 전류로 변환하여 출력으로 전달하는 데 사용됩니다.
이러한 각 구성은 특정 응용에 적합하며, BJT 원리에 근거하여 선택되어야 합니다.
4. BJT 구성에 따른 비교
| 특징 | 공통 에미터 구성 | 공통 베이스 구성 | 공통 콜렉터 구성 (이미터 팔로워) |
|---|---|---|---|
| 전압 이득 (Voltage Gain) | 높음 | 중간 정도 | 낮음 |
| 전류 이득 (Current Gain) | 높음 | 낮음 | 중간 정도 |
| 입력 임피던스 (Input Impedance) | 낮음 | 높음 | 중간 정도 |
| 출력 임피던스 (Output Impedance) | 높음 | 중간 정도 | 낮음 |
| 응용 | 일반적인 증폭기 및 스위치 | 고주파 증폭기 및 임피던스 매칭 | 출력 단계 및 부하 구동 |
| 장점 | 높은 전압 및 전류 이득 | 높은 입력 임피던스 | 입력과 출력 간 훌륭한 격리 |
| 단점 | 입력 임피던스가 낮음 | 전압 이득이 낮음 | 출력 임피던스가 높음 |
공통 에미터 구성은 BJT 원리에 따라 전압 및 전류 이득이 높지만 입력 임피던스가 낮아서 일부 회로에서는 부가적인 회로가 필요할 수 있습니다.
반면에 공통 베이스 구성은 높은 입력 임피던스를 제공하지만 전압 이득이 낮아서 주로 고주파 증폭기에 사용됩니다.
공통 콜렉터 구성은 출력 임피던스가 낮아서 부하를 구동하는 데 적합하지만 전압 이득이 낮습니다.