[📃칼럼] 트랜지스터 부가설명 및 수특수완 해설

[Lagrang..(tony0485)]

수특에 있는 내용은 기본적으로 알고 있다고 가정하고

수특 수완 개념엔 없는데 문제풀때는 쓰이는 추가적인 것만 적어봤습니다.

혹시 수특내용이 이해 안된다 싶으면 유튜브에 장인수 선생님의 강의를 듣는걸 추천함

그리 길지도 않고 쉽게 설명해주심

나도 개념은 그걸로 잡음

트랜지스터 회로를 그려주신 리튬님께 감사드립니다.

• 트랜지스터의 4가지 동작영역

I_b가 어떤 값 일정한 값을 가질 때 트랜지스터의 V_ce와 I_c사이의 관계를 나타낸 그래프

트랜지스터는 각 단자에 걸린 바이어스의 조건에 따라

각 단자에 흐르는 전류의 관계가 달라지는데 이를 크게

활성영역, 차단영역, 포화영역, 반전 활성 영역 이렇게 4가지로 분류 할 수 있다.

1) 활성 영역

이미터와 베이스 사이에 적절한 순방향 바이어스를,

베이스와 컬랙터 사이에는 충분한 역방향 바이어스를 걸어주었을 때의 영역이다.

전류의 증폭작용이 일어나는 구간으로, 다음과 같은 두 성질이 성립한다.

• 전류증폭률 β가 상수이다.

즉, 컬랙터에 흐르는 전류 I_c는 베이스에 흐르는 전류 I_b에 비례한다.

• 이미터와 베이스 사이의 전위차 V_be가 상수이다.

정확히 말하면 상수는 아니지만, 변화량이 매우 작으므로 근사가 가능하다.

2) 차단 영역

이미터와 베이스 사이에 충분한 순방향 바이어스가 걸리지 않았을 영역으로,

컬랙터에 전류가 흐르지 않는다.

이는 마치 스위치를 연 상태와 같다.

3) 포화 영역

이미터와 베이스 사이에는 적절한 순방향 바이어스가 걸렸으나,

베이스와 컬랙터 사이에는 순방향 바이어스를 걸어주거나

혹은 충분하지 못한 역방향 바이어스를 걸어주어서 베이스에서

컬랙터쪽으로 전자가 많이 이동하지 못하는 경우이다.

이때 전류증폭률 β는 상수가 아니며, 컬랙터 전류 I_c는 회로의 연결조건에 의해 결정된다.

V_ce와 I_c의 관계를 일차함수, 즉 옴의 법칙이 성립하는

것처럼 근사할 수 있기 때문에 마치 스위치를 연 상태와 같이

생각할 수 있다.

트랜지스터의 스위칭 작용은 차단 영역과 포화 영역에서 일어난다.

4) 반전 활성 영역

이미터와 베이스 사이에 역방향 바이어스를,

베이스와 컬랙터 사이에는 순방향 바이어스를 걸어주었을 때의 영역이다.

일반적으로 이미터의 불순물 도핑 농도가 컬랙터의 도핑

농도보다 크기 때문에 곡선의 형태가 완벽히 대칭을 이루진 않는다.

1), 2), 3)은 수특 수완에 문제로 나와있지만 4)는 별로 중요하지 않다.

• 증폭 작용

갤에 도대체 전류가 쪼개진게 뭐가 증폭이냐는 질문이 올라왔었는데,

증폭작용은 전압이나 에너지를 증폭시킨다는게 아니고,

신호를 증폭시키는 것을 말한다.

즉, 베이스의 작은 전류로 컬랙터의 큰 전류를 제어하는 것이 목적이다.

예를 들어 그림과 같이 직류신호 V_in을 넣어준 회로를 생각해보자.

이미터와 베이스 사이의 전위차 V_be가 상수이므로 베이스에 흐르는 전류 I_b = (V_in - V_be)/R_b 이다.

I_c = βI_b이고, I_c = (V_cc - V_ce)/R_c인데 V_cc는 상수이므로 증폭된 출력신호 V_ce를 결정할 수 있다.

만약 V_in이 교류신호라면, 트랜지스터는 활성영역과 차단영역

사이에서 작동하게되므로 신호가 제대로 증폭되지 않을 것이다.

베이스 전위가 더 높았다가, 이미터 전위가 더 높았다가, 다시 베이스 전위가 더 높았다가... 를 반복한다.

그러나 베이스와 이미터 사이에 충분한 크기의 직류전원을 연결하면 베이스 전위가 항상 더 높도록 만들어 줄 수 있다.

• 증폭작용의 이용

자연에서 감지하는 신호의 세기가 미미해서 분석하기 어려울 때,

이 신호를 베이스에 입력시켜 (교류전원과 같은 역할) 트랜지스터를 이용해 진폭을 증가시키면 분석하기 수월해진다.

• 수특수완 해설

수특 1번은 쉬우므로 패스

수특 2번

수정 전)

그림과 같이 p-n-p 형 트랜지스터와 저항값이 1000 kΩ인

저항, 가변 저항, 안테나, 스피커, 전원 장치를 연결한다.

안테나를 통해 수신된 교류 입력 신호의 전압 진폭은 0.3 V이고,

이미터와 베이스 사이에 전류가 흐르기 위한 전압의 최솟값은 0.7 V이다.

[바이어스 전압 결정하기]

• 교류 입력 신호에 의해 전압은 -(ㄱ)V에서 +(ㄱ)V까지 변한다.

• 교류 입력 신호 전압에 의해 베이스로 흐르는 전류는 (ㄴ)μA이다.

• 이미터와 베이스 사이에 전류가 흐르려면 최소 0.7 V의 전압이 필요하므로 베이스에는 최소 (ㄷ) V까지 걸어주어야 한다. 따라서 바이어스 전압의 최소 크기는 (ㄷ) V이다.

수정 후)

그림과 같이 p-n-p 형 트랜지스터와 저항값이 1000 kΩ인

저항, 가변 저항, 안테나, 스피커, 전원 장치를 연결한다.

안테나를 통해 수신된 교류 입력 신호의 전압 진폭은 0.3 V이고,

이미터와 베이스 사이에 전류가 흐르기 위한 전압의 최솟값은 0.7 V이다.

[바이어스 전압 결정하기]

• 교류 입력 신호에 의해 p와 q사이 전압은 -(ㄱ)V에서 +(ㄱ)V까지 변한다.

• 교류 입력 신호 전압에 의해 베이스로 흐르는 전류 진폭은 (ㄴ)μA이다.

• 이미터와 베이스 사이에 전류가 흐르려면 최소 0.7 V의 전압이 필요하므로 이미터와 r 사이에는 최소 (ㄷ) V까지 걸어주어야 한다. 따라서 바이어스 전압의 최소  크기는 (ㄷ) V이다.

해설)

안테나는 전압 진폭이 0.3V인 교류 전원으로 생각하자.

따라서 (ㄱ)은 0.3이다.

점 r의 전위를 0, 바이어스 전압을 V로 잡고 회로의 각 점의 전위를 표시해보면 아래와 같다.

p의 전위가 V - 0.7이므로 q의 전위는 V - 1.0과 V - 0.4 사이에서 진동할 것이다.

그렇다면 전류는 {(q의 전위) - (r의 전위)}/10⁶이므로 (V - 1.0)/10⁶과 (V - 0.4)/10⁶사이에서 진동할 것이다.

따라서 (ㄴ)은 0.3이다.

이 회로가 증폭작용을 하는 활성영역으로 작동하려면, 베이스 전류는 아래로 흘러야 하므로 V - 1.0이 0보다 커야 한다.

따라서 V의 최솟값 (ㄷ)은 1.0이다.

다 더하면 1.6으로 답은 5번이다.

수특 3번

조건 추가) 이 회로는 활성상태이다.

해설)

ㄱ. 전류가 B에서 E로 흐른다.

따라서 B가 p, E가 n이므로 맞는 선지이다.

ㄴ. 활성상태이면 이미터 - 베이스 전압은 일정하다.

이 전압을 V라 하면

I_0 = (2 - V)/R_p

2I_0 = (2 - V)/R_q

이므로 맞는 선지이다.

ㄷ. 활성상태 => 전류 증폭률이 일정하므로 5I_0가 아니라 20I_0가 되어야 한다.

따라서 3번이 답이다.

수완 1번

해설)

ㄱ. 수특 3번 ㄱ과 같으므로 맞는 선지이다.

ㄴ. 전하량 보존 법칙에 의해

이미터 전류 = 베이스 전류 + 컬렉터 전류이므로 맞는 선지이다.

ㄷ. 이미터의 전위를 0이라 하면

베이스 전위는 V - 0.01I×100R = V - IR

컬렉터 전위는 2V

다이오드 바로 위의 전압은 3V - IR

이므로 두 전위차 모두 V - IR로 같다.

따라서 5번이 답이다.

수완 2번)

두번째와 세번째 케이스를 보면 전류 증폭률이 일정하므로 두 케이스는 활성 상태임을 알 수 있다.

그런데 활성 상태이면 이미터 - 베이스 전압이 일정해야 하지만 문제에선 그렇지 않다.

따라서 이 문제는 오류이다.

근데 사실 이렇게 주저리 주저리 길게 써놨지만 얘는 어렵게 안나올 것 같다.

그래도 사설에서 존나 많이 나오므로 딸치기에는 유용하다.

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