전자공학실험 4장 BJT 기본 특성 A+ 예비보고서

문서 내 토픽

1. npn형 BJT의 기본 동작 원리

npn형 BJT는 'n형 반도체(Emitter)-p형 반도체(Base)-n형 반도체(Collector)'의 결합으로 이루어진 트랜지스터로, V_E와 V_B, V_C의 크기 관계에 따라 EBJ(이미터와 베이스 간 결합), CBJ(컬렉터와 베이스 간 결합)영역에서 다이오드가 순방향, 역방향으로 나뉘게 되어 총 4가지의 동작 영역이 존재한다. 즉 V_BE, V_CB의 크기를 조절함으로써 전류의 방향과 크기를 제어한다.
2. npn형 BJT의 4가지 동작 영역

npn형 BJT는 V_E와 V_B, V_c의 크기 관계에 따라 EBJ(이미터와 베이스 간 결합), CBJ(컬렉터와 베이스 간 결합)영역에서 다이오드가 순방향, 역방향으로 나뉘게 되어 총 4가지의 동작 영역이 있다. 동작 영역EBJCBJ차단(cutoff)역방향역방향능동(active)순방향역방향역능동(reverse active)역방향순방향포화(saturation)순방향순방향
3. npn형 BJT의 얼리 효과

npn형 BJT의 능동 영역에서 컬렉터-이미터 전압(V_CE)이 증가되면 얼리 효과가 적용되어 I_C가 증가하게 된다. 이 때 'I_C=I_SeVBE/VT(1+V_CE/V_A)'의 관계식이 성립하고, V_A가 얼리 전압이다. 그리고 얼리 전압은 출력 저항과 'r_o?V_A/I_C'의 관계가 성립하기 때문에, 출력 저항과 얼리 전압은 비례함을 알 수 있다.
4. 실험회로 1의 I_C-V_BE, I_C-V_CB, I_C-V_CE 특성

① I_C-V_BE 그래프 (x축=V_BE, y축=I_C)-> npn형 BJT의 active영역에서 V_BE전압이 증가함에 따라 I_C가 증가하게 된다.② I_C-V_CB 그래프(x축=V_CB, y축=I_C)-> npn형 BJT의 IC-VCB 그래프로, V_CB가 증가함에 따라 I_C가 증가하고, 일정 값에 수렴함을 알 수 있다. 그리고 V_CB가 같아도 I_E에 따라 I_C가 달라진다.③ I_C-V_CE 그래프 (X축=V_CE, Y축=I_C)-> V_CE>-0.4, V_BE>=0.7인 경우 active영역에서(V_CE>0.3) V_CE가 증가함에 따라 I_C가 증가하게 되고, saturation영역에서(V_CE<0.3) V_CE가 증가하여도 IC는 변하지 않고 수렴한다. 그리고 V_CE가 같아도 V_BE가 증가함에 따라 IC가 증가하게 됨을 알 수 있다.
5. 실험회로 1의 α, β 측정

실험회로 1에서 V_CC=12V, Vsig=6V으로 설정하였다. I_B=0.000523[A]이고, I_C=0.105[A], I_E=-0.105237A이다. 이 때 DC operation 시뮬레이션 결과에서 I_E의 방향을 'I_C+I_B'전류의 반대 방향으로 도출하여 -가 붙은 것이다. 그러므로 IE=0.105237[A]이고, 이를 통해 'I _{B} +I _{C} =I _{E}'가 성립함을 확인할 수 있다. 그리고 β=I_C/I_B이므로 β?200, α=β/(1+β)이므로, α?0.99가 나오게 된다.
6. 실험회로 1의 RC 값 계산

전압 V_O=V_CC-(I _{C} R _{C})이므로, V_O=6V이 되는 R_C를 찾으면 된다. 실험회로 1에서 R_C=51.5Ω으로 설정하면 I_C=0.110[A]이므로, V_O=12-(0.110*51.5)?5.962[V]가 된다. 따라서 V_0=6V의 DC전압이 나오도록 하는 R_C는 51.55Ω임을 알 수 있다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. npn형 BJT의 기본 동작 원리

npn형 BJT의 기본 동작 원리는 다음과 같습니다. BJT는 에미터, 베이스, 콜렉터의 3개 단자로 구성되어 있으며, 베이스-에미터 접합은 순방향 바이어스, 베이스-콜렉터 접합은 역방향 바이어스 상태로 동작합니다. 에미터에서 주입된 다수캐리어(전자)는 베이스 영역을 통과하여 콜렉터로 흐르게 되며, 이 과정에서 베이스 전류가 발생합니다. 이러한 BJT의 동작 원리를 이해하면 BJT의 특성과 응용회로 설계에 도움이 될 것입니다.
2. npn형 BJT의 4가지 동작 영역

npn형 BJT의 4가지 동작 영역은 다음과 같습니다. 1) 차단 영역: 베이스-에미터 접합이 역방향 바이어스되어 콜렉터 전류가 흐르지 않는 영역 2) 포화 영역: 베이스-에미터 접합이 순방향 바이어스되고 베이스-콜렉터 접합이 순방향 바이어스되어 콜렉터 전류가 최대가 되는 영역 3) 능동 영역: 베이스-에미터 접합이 순방향 바이어스되고 베이스-콜렉터 접합이 역방향 바이어스되어 콜렉터 전류가 베이스 전류에 비례하는 영역 4) 항복 영역: 베이스-콜렉터 접합이 역방향 바이어스되어 콜렉터 전류가 급격히 증가하는 영역. 이러한 4가지 동작 영역을 이해하면 BJT의 특성과 응용회로 설계에 도움이 될 것입니다.
3. npn형 BJT의 얼리 효과

npn형 BJT의 얼리 효과는 베이스-콜렉터 접합의 역방향 바이어스 전압이 증가함에 따라 콜렉터 전류가 증가하는 현상입니다. 이는 베이스-콜렉터 접합의 공핍층 폭이 증가하여 베이스 영역의 유효 길이가 감소하기 때문입니다. 이로 인해 에미터에서 주입된 다수캐리어가 베이스를 통과하여 콜렉터로 도달하는 확률이 증가하게 됩니다. 얼리 효과는 BJT의 출력 특성에 영향을 미치므로, BJT 회로 설계 시 고려해야 할 중요한 요소입니다.
4. 실험회로 1의 I_C-V_BE, I_C-V_CB, I_C-V_CE 특성

실험회로 1에서 측정한 I_C-V_BE, I_C-V_CB, I_C-V_CE 특성은 다음과 같습니다. I_C-V_BE 특성은 베이스-에미터 전압 V_BE가 증가함에 따라 콜렉터 전류 I_C가 지수적으로 증가하는 모습을 보입니다. I_C-V_CB 특성은 베이스-콜렉터 전압 V_CB가 증가함에 따라 콜렉터 전류 I_C가 약간 증가하는 얼리 효과를 보입니다. I_C-V_CE 특성은 콜렉터-에미터 전압 V_CE가 증가함에 따라 콜렉터 전류 I_C가 포화 영역에 도달하는 모습을 보입니다. 이러한 특성 분석을 통해 BJT의 동작 원리와 특성을 이해할 수 있습니다.
5. 실험회로 1의 α, β 측정

실험회로 1에서 측정한 α와 β 값은 다음과 같습니다. 전류 증폭 계수 α는 콜렉터 전류 I_C와 에미터 전류 I_E의 비로 정의되며, 일반적으로 0.98 ~ 0.99 사이의 값을 가집니다. 전류 증폭 계수 β는 콜렉터 전류 I_C와 베이스 전류 I_B의 비로 정의되며, 일반적으로 20 ~ 500 사이의 값을 가집니다. 이러한 α와 β 값은 BJT의 특성을 나타내는 중요한 파라미터로, BJT 회로 설계 시 고려해야 할 요소입니다.
6. 실험회로 1의 RC 값 계산

실험회로 1에서 RC 값을 계산하면 다음과 같습니다. 콜렉터 저항 R_C와 콜렉터-에미터 간 캐패시턴스 C_CE로 구성된 RC 회로의 시정수 τ는 τ = R_C * C_CE 로 계산할 수 있습니다. 이 시정수 τ는 BJT의 동작 속도를 결정하는 중요한 요소입니다. 따라서 BJT 회로 설계 시 RC 값을 적절히 선택하여 원하는 동작 속도를 구현할 수 있습니다. 실험회로 1에서 측정한 RC 값 분석을 통해 BJT의 동작 특성을 이해할 수 있습니다.

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