트랜지스터 특성 및 증폭 회로 실험

본 내용은 " 이학전자실험 Transistor " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.02.26

문서 내 토픽

• 1. 트랜지스터(Transistor) 기본 구조 및 동작원리

  트랜지스터는 전류 및 전압의 증폭작용과 스위칭 역할을 하는 반도체 소자이다. p, n형 반도체를 접합하여 PNP 또는 NPN 접합형으로 제작되며, 접합형 트랜지스터(BJT)라고 불린다. 각 트랜지스터는 Base, Collector, Emitter 세 개의 단자를 가지며, Emitter에서 총 전류가 흐르고 얇은 막의 Base가 전류 흐름을 제어하며, 증폭된 신호가 Collector로 흐른다. 트랜지스터의 동작은 베이스-이미터 간 전압과 베이스 전류의 관계로 표현되는 특성곡선으로 분석된다.

• 2. 트랜지스터 3가지 동작영역(Cut-off, Linear, Saturation)

  트랜지스터는 차단 동작 영역(Cut-off), 선형 동작 영역(Linear), 포화 동작 영역(Saturation) 세 가지 동작영역을 가진다. Linear 영역에서는 입력 베이스 전류에 정격 전류 증폭률을 곱한 값이 출력 컬렉터 전류가 되어 전류 증폭기로 정상 동작한다. Saturation 영역에서는 컬렉터 전류가 베이스 전류의 비율로 증폭되지 않으며 최대 컬렉터 전류가 흐른다. Cut-off 영역에서는 베이스 전류가 인가되지 않아 컬렉터 전류도 흐르지 않는 개방상태이다.

• 3. 공통 이미터(Common Emitter) 증폭 회로

  공통 이미터 회로는 기본적인 BJT 증폭 회로로, 이미터가 접지되어 입출력 공통 단자로 사용된다. 베이스에 인가되는 신호가 컬렉터에서 증폭되어 출력되도록 설계된다. 베이스 전류에 전류 증폭률을 곱하면 컬렉터 전류가 되며, 부하선과 특성곡선의 교점인 동작점에서 회로의 직류 전압과 전류값이 결정된다. 동작점의 위치에 따라 증폭 효과가 달라지며, 바이어스 전압 변화로 동작점이 이동하면 증폭도도 변한다.

• 4. 바이패스 커패시터(Bypass Capacitor)의 역할

  바이패스 커패시터는 이미터 단에 저항과 병렬로 연결되어 교류 신호에 대한 임피던스를 감소시킨다. 바이패스 커패시터가 없을 때는 이미터 저항에 의해 전압 증폭도가 낮아지지만, 바이패스 커패시터를 추가하면 교류 해석 시 이미터 저항을 무시할 수 있어 전압 증폭도가 크게 증가한다. 실험 결과 바이패스 커패시터 없을 때 약 5~6의 증폭도에서 바이패스 커패시터 적용 시 약 120의 증폭도로 약 20배 향상된다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 트랜지스터(Transistor) 기본 구조 및 동작원리

  트랜지스터는 현대 전자공학의 핵심 소자로서, 반도체 물질의 p-n 접합을 이용한 정교한 구조를 가지고 있습니다. BJT의 경우 베이스-이미터 접합과 베이스-컬렉터 접합이라는 두 개의 p-n 접합으로 구성되어 있으며, 베이스 전류의 미세한 변화가 컬렉터 전류의 큰 변화를 유발하는 증폭 특성을 보입니다. 이러한 동작원리는 전자의 확산과 드리프트 현상, 그리고 소수 캐리어의 주입 메커니즘에 기반하고 있습니다. 트랜지스터의 기본 원리를 정확히 이해하는 것은 아날로그 회로 설계와 디지털 논리 회로 구현의 기초가 되므로 매우 중요합니다.

• 2. 트랜지스터 3가지 동작영역(Cut-off, Linear, Saturation)

  트랜지스터의 세 가지 동작영역은 베이스-이미터 접합과 베이스-컬렉터 접합의 바이어스 상태에 따라 결정되며, 각각 고유한 특성을 가집니다. Cut-off 영역에서는 두 접합이 모두 역바이어스되어 거의 전류가 흐르지 않으며, Linear(활성) 영역에서는 베이스-이미터 접합이 순바이어스, 베이스-컬렉터 접합이 역바이어스되어 증폭이 일어나고, Saturation 영역에서는 두 접합이 모두 순바이어스되어 컬렉터 전류가 최대값에 도달합니다. 이 세 영역의 특성을 정확히 파악하는 것은 증폭기 설계와 스위칭 회로 응용에 필수적입니다.

• 3. 공통 이미터(Common Emitter) 증폭 회로

  공통 이미터 구성은 가장 널리 사용되는 트랜지스터 증폭 회로로서, 입력 신호가 베이스에 인가되고 출력이 컬렉터에서 취출되는 방식입니다. 이 구성은 높은 전압 이득과 전류 이득을 동시에 제공하며, 입력과 출력 신호가 180도 위상 반전되는 특성을 가집니다. 적절한 바이어싱을 통해 트랜지스터를 활성 영역에 유지하면 선형 증폭이 가능하며, 부하 저항과 컬렉터 공급 전압의 선택에 따라 이득과 대역폭을 조절할 수 있습니다. 실무에서 가장 기본적이고 중요한 증폭 회로입니다.

• 4. 바이패스 커패시터(Bypass Capacitor)의 역할

  바이패스 커패시터는 공통 이미터 증폭 회로에서 이미터 저항과 병렬로 연결되어 교류 신호에 대한 임피던스를 감소시키는 중요한 소자입니다. 직류 바이어싱 조건에서는 커패시터가 개방 상태로 작용하여 안정적인 동작점을 유지하고, 교류 신호에 대해서는 이미터 저항을 우회하여 회로의 전압 이득을 크게 증가시킵니다. 바이패스 커패시터의 용량값은 증폭하려는 신호의 최저 주파수에 따라 결정되며, 적절한 선택은 회로의 성능을 크게 향상시킵니다. 이는 실제 증폭 회로 설계에서 매우 실용적인 기법입니다.