【전자회로 기본Ⅰ】 13강 - BJT 특성 해석을 위한 파라미터

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12강에서는 BJT의 구조와 동작에 대하여 학습하였음

BJT는 npn 혹은 pnp형이 존재하며 세개의 단자가 연결되어 있는데 이를 각각 이미터, 베이스, 컬렉터라고 함

바이어스란 어떤 소자나 장치를 동작시키기 위해 인가해주는 전압이나 전류를 의미함

베이스 - 이미터 접합에는 순방향 바이어스를 걸어주어야 하고, 베이스 - 컬렉터 접합에는 역방향 바이어스를 걸어주어야 함

npn 트랜지스터의 동작과정에서 전자의 흐름은 이미터로 들어온 전자의 일부분이 베이스로 흘러나가고 대부분의 전자가 컬렉터로 흘러 나감을 알 수 있음

이때 다음과 같은 수식이 성립함 $I_E=I_C+I_B$

이는 pnp와 npn에서 모두 똑같음

 

https://nate0707.tistory.com/112

【전자회로 기본Ⅰ】 12강 - BJT 구조와 동작

 

1. BJT 특성 해석을 위한 파라미터$(1)$

 

- 직류베타$(\beta_{DC})$

 

직류베타는 컬렉터 전류 $I_C$와 베이스 전류 $I_B$의 비율임

트랜지스터의 직류전류이득이라고 함

 

 

일반적인 트랜지스터의 동작은 적은 베이스 전류로 많은 컬렉터 전류를 조절하기 때문에 직류베타값이 트랜지스터의 증폭성능을 나타냄

 

# 직류알파$(\alpha_{DC})$

컬렉터 전류 $I_C$와 이미터 전류 $I_E$의 비율을 말함

 

 

이미터 전류에서 베이스 전류로 일부분만 뺀 것이 컬렉터 전류이므로 직류알파는 1보다 작음

 

각 단자의 전류 흐름을 이용한 관계식은 다음과 같음

$I_E=I_B+I_C$ 양 변을 $I_C$로 나누면

$\frac{I_E}{I_C}=\frac{I_B}{I_C}+1$ 이를 직류알파와 직류베타로 표현하면

$\frac{1}{\alpha_{DC}}=\frac{1}{\beta_{DC}}+1$

 

- 직류해석

 

트랜지스터의 6가지 직류의 정의는 다음과 같음

 

$V_{BE}$ : 이미터 기준 베이스에서의 직류전압

$V_{CB}$ : 베이스 기준 컬렉터에서의 직류전압

$V_{CE}$ : 이미터 기준 컬렉터에서의 직류전압

$I_B$ : 베이스 전류

$I_E$ : 이미터 전류

$I_C$ : 컬렉터 전류

 

 

$V_{BE}$는 다이오드의 순방향 전압이므로 대략 0.7V임

키르히호프 전압법칙과 옴의 법칙을 이용하면 6가지 직류를 해석할 수 있음

 

- 컬렉터 특성 곡선

 

컬렉터 특성 곡선은 베이스 전류별 컬렉터 - 이미터 전압의 변화에 대한 컬렉터 전류의 변화를 나타내는 곡선을 말함

$V_{BB}$ 베이스의 전압을 일정한 값으로 고정시킨 다음 $V_{CC}$ 값을 증가시키면 $V_{CE}$에 대한 $I_C$를 그래프를 얻을 수 있음

 

 

# 포화영역

 

베이스 - 이미터 접합이 순방향이고, $V_{CE}$가 $V_{BB}$ 보다 작아서 베이스 - 컬렉터 접합이 순방향이 될 때 트랜지스터는 포화영역$(Saturation Region)$에 있게 됨

 

$V_{CC}$를 점차 증가시키면 $V_{CE}$는 컬렉터전류가 증가하는 만큼 증가하는데, 포화영역은 컬렉터 전압이 0.7V가 될 때까지 계속됨

 

# 활성영역

 

컬렉터 전압이 0.7V 이상이 되면 베이스 - 컬렉터 접합은 역방향 바이어스가 되면서 $I_C$는 더이상 증가하지 않는 활성영역$(Active, Linear Region)$에 있게 됨

 

 

활성영역에서의 $I_C$는 베이스 전류 $I_B$의 크기에 의해 결정되는데, 증폭기는 활성영역에서 베이스 전류의 작은 변화를 큰 컬렉터 전류로 변환시킴

 

# 항복영역

 

컬렉터 전압이 많이 높아져 베이스 - 컬렉터 접합이 항복전압을 넘어서게 되면 항복영역$(Breakdown Region)$에 있게 됨

 

항복영역에서는 컬렉터 전류가 급격히 증가하기 때문에 트랜지스터가 파손될 수 있음

 

2. BJT 특성 해석을 위한 파라미터$(2)$

 

- 차단$(Cut Off)$

 

베이스 전류가 0인 경우 컬렉터 전류는 흐르지 않는 차단 상태에 있게 됨

 

 

- 포화$(Saturation)$

 

베이스 전류 $I_B$가 증가하면 직류전류이득에 의해 컬렉터 전류 $I_C$가 증가함

$I_C$가 증가하면 $R_C$에 인가되는 전압이 증가하므로 $V_{CE}$가 감소하게 되는데, 더 이상 감소하지 않는 지점을 $V_{CE(sat)}$이라고 함

* $V_{CE}=V_{CC}-I_CR_C$

트랜지스터를 이용한 스위치 회로는 $V_{CE}$의 포화점을 이용함

 

 

- 직류 부하선

 

트랜지스터의 증폭기 동작을 설명하는 데 있어서 부하선이라는 특성 곡선을 이용함

이는 컬렉터 전류 $I_C$가 흐르지 않는 $V_{CE}$상의 차단점 $V_{CC}$에서 $I_C$가 더 이상 증가하지 않는 포화점까지 직선으로 연결한 선을 말함

 

 

- 최대 트랜지스터 정격

 

트랜지스터도 많은 전류가 흐르게 되면 과열로 인한 파손의 가능성이 있음

안전한 동작성을 보장하기 위해 제조사들은 최대 정격을 규정하고 있음

최대 정격을 다음과 같음

$P_D=I_C \times V_{CE}$

 

최대 정격은 $I_C, V_{CE}, P_D$가 각각 존재하는데, $P_D$는 $I_C$와 $V_{CE}$의 곱이므로 각각이 최대 정격값이 아니더라도 $P_D$가 최대 정격으로 도달할 수 있어 이를 주의해야 함