14. 트랜지스터의 동작영역과 검사, 케이스, 단자 및 발전

14. 트랜지스터의 동작영역과 검사, 케이스, 단자 및 발전

트랜지스터는 최대 정격을 초과하면 출력이 왜곡된다. 그렇기 때문에 정격을 초과하지 않는 범위에서 다루어야 한다.

위 그래프는 (공통 이미터 구조의) 출력특성곡선에서 최대 정격을 넘지 않으면서 출력의 왜곡이 최소화되는 영역을 나타낸 것이다. 이 곡선이 규격표에 없는 경우, \(V_{CE}I_{C}\)가 다음 조건을 만족하게 하면 된다.

\(I_{CEO}\leq I_{C}\leq I_{C_{\max}}\)(\(I_{CEO}=\beta I_{CBO}\), \(I_{C\max}\)는 최대 컬렉터 전류)

\(V_{CE_{\text{sat}}}\leq V_{CE}\leq V_{CE_{\max}}\)(규격표에서 \(V_{CEO}\) 또는 \(V_{(BR)CEO}\))

\(V_{CE}I_{C}\leq P_{C_{\max}}\)

공통 베이스 구조의 경우, 소비전력을 \(P_{C}=V_{CB}I_{C}\)로 계산한다.

트랜지스터 규격서

위 규격표는 페어차일드 사(Fairchild 社)에서 제작한 2N4123 범용 npn트랜지스터의 규격표로 \(I_{CEO}=\beta I_{CBO}=150\times50\text{nA}=7.5\mu\text{A}\), \(I_{C_{\max}}=200\text{mA}\), \(V_{CE_{\text{sat}}}=0.3\text{V}\), \(V_{CE_{\max}}=V_{CEO}=30\text{V}\), \(P_{C\max}=P_{D}=625\text{mW}\)이므로$$7.5\mu\text{A}\leq I_{C}\leq200\text{mA},\,0.3\text{V}\leq V_{CE}\leq30\text{V},\,V_{CE}I_{C}\leq625\text{mW}$$이다.(참고: \(h_{f},\,h_{r},\,h_{i},\,h_{o}\)에서 \(f,\,r,\,i,\,o\)는 각각 forward(단위없음), reverse(단위없음), input(단위:\(\Omega\)), output(단위: \(\text{S}\))을 뜻한다) 

커브트레이서, 트랜지스터 전용검사기, 저항계, 디지털미터를 이용하여 트랜지스터를 검사한다.

위 그림은 커브 트레이서를 이용하여 나타낸 2N3904 npn트랜지스터의 특성곡선 응답이다. 오른쪽은 \(I_{C}=7\text{mA},\,V_{CE}=5\text{V}\)일 때, \(\beta_{ac}\)를 결정하기 위한 곡선의 그래프의 일부로$$\beta_{ac}=\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{B}}|_{V_{CE}=5\text{V}}=\frac{(8.2-6.4)\text{mA}}{(40-30)\mu\text{A}}=\frac{1.8\text{mA}}{10\mu\text{A}}=180$$이다.

위의 그림에서 왼쪽은 디지털 미터이고, 오른쪽은 트랜지스터 전용검사기이다. 이것으로 단자와 트랜지스터의 상태를 확인한다.

위 그림은 저항계를 이용해서 저항값으로 트랜지스터의 상태와 형태를 구별하는 것을 나타낸 것이다. 왼쪽 그림은 npn트랜지스터의 베이스(B)-이미터(E) 접합의 순방향 바이어스 검사를, 오른쪽 그림은 npn트랜지스터의 베이스(B)-컬렉터(C) 접합의 역방향 바이어스 검사를 나타낸 것이다.

트랜지스터의 케이스와 단자

위의 그림은 범용 및 스위칭 트랜지스터로 왼쪽은 저전력용, 중간은 중간전력용, 오른쪽은 중간에서 높은 전력용이다.

이 그림에서 윗 부분은 트랜지스터의 단자를 나타낸 것이고 아랫 부분은 페어차일드 사(Fairchild 社)의 TO-92 트랜지스터 패키지의 내부구조를 나타낸 것이다.

왼쪽은 텍사스 인스트루먼트사(Texas Instrument 社)의 Q2T2905 pnp실리콘 트랜지스터의 외관이고, 오른쪽은 그 내부로 4개의 pnp트랜지스터가 포장으로 들어가 있다. 여기서 NC는 내부연결이 없다는 것을 나타낸다.

무어의 법칙(Moore's Law)

위 그래프는 1960년대부터 현재까지의 트랜지스터 개수의 집적도를 나타낸 것이다. 무어의 법칙에 따르면 IC 칩 내부의 트랜지스터의 개수가 2년마다 2배씩 증가한다고 한다.

*무어의 법칙의 3가지 조건

1. 반도체 메모리칩의 성능(메모리의 용량 또는 CPU의 속도)이 18~24개월마다 2배씩 향상된다는 '기술 개발 속도'에 관한 법칙이다.

2. 컴퓨팅 성능은 18개월마다 2배씩 향상된다.

3. 컴퓨팅 가격은 18개월마다 반으로 줄어든다.

그 동안 무어의 법칙이 잘 맞아떨어졌으나 최근(2018년)부터는 안 맞아떨어질 것이라는 예측이 있다.

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npn은 전류이득이 높고(\(\beta:\,100\sim500\)), 높은 차단주파수(\(500\text{MHz}\))를 가지며, 넓은 전류동작범위(수\(\mu\text{A}\)~수십\(\text{mA}\))(다수캐리어는 전자)를 갖고, 역방향 전압은 \(V_{EBO}=5\text{}V\)이다.

pnp는 전류이득이 낮고, 낮은 차단주파수(\(1\text{MHz}\))를 가지며, 낮은 컬렉터 전류동작범위(수 \(\mu\text{A}\)~수\(\text{mA}\))(다수캐리어는 정공)를 갖고, 역방향 전압은 \(V_{BEO}=50\text{V}\)이다.

이러한 이유와 속도 때문에 IC회로에서는 대부분 npn트랜지스터를 사용한다.

참고자료:

Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson