[기초전자회로실험] 9. BJT(쌍극성 접합 트랜지스터) 특성

[기초전자회로실험] 9. BJT(쌍극성 접합 트랜지스터) 특성

1. 실험목적

DMM을 사용하여 트랜지스터의 형태(npn, pnp)와 단자를 결정하고, 커브 트레이서를 이용하여 트랜지스터의 컬렉터 특성곡선을 그리며, 실험을 통해 \(\alpha,\,\beta\)의 값을 결정한다.

2. 실험이론

BJT(쌍극성 접합 트랜지스터)는 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge) 반도체의 접합으로 만들어지는 트랜지스터이다. 

(초기의 BJT트랜지스터 모형)

트랜지스터는 두개의 n형 반도체 사이에 p형 반도체가 끼어있거나, 두개의 p형 반도체 사이에 n형 반도체가 끼어있는 구조를 갖는다.

어느 경우에나 가운데의 반도체는 베이스(B=Base)이고, 양 끝의 반도체는 컬렉터(C=Collector)와 이미터(E=Emitter)를 형성한다. 이 구조가 인가되는 전압의 극성, 전자 이동 또는 전형적인 전류 방향(트랜지스터 형태에 관계없이 이미터 단자에 표시된 화살표는 전류 방향을 나타낸다)을 결정한다. 여러 가지 동작 조건(포화, 차단, 활성영역)에서 BJT에 관련된 전압과 전류 사이의 관계가 트랜지스터의 성능을 결정한다. 이 결과로 다음과 같은 트랜지스터의 특성곡선을 얻는다.

트랜지스터를 제조한 회사에서는 규격표에 트랜지스터의 특성곡선을 제공한다. 이 실험의 주된 목적은 트랜지스터의 특성곡선을 측정해서 규격표에 기재된 트랜지스터의 특성곡선과 비교하는 것이다.

3. 실험

1) 사용장비 및 부품

DMM, 커브 트레이서(가능한 경우), \(1\text{k}\Omega,\,330\text{k}\Omega\), \(5\text{k}\Omega,\,1\text{M}\Omega\)전위차계(potentiometer), Q2N3904 트랜지스터(BJT)(또는 등가의 BJT), 단자가 표시되어 있지 않은 트랜지스터(BJT)

2) 실험과정

트랜지스터의 형태와 단자, 재료 결정.

*이 실험에서 DMM의 다이오드 검사 스케일을 사용하는데, 이 기능이 없다면, 미터의 저항 단자를 이용하여 실험할 수 있다.

(1) 다음 그림의 단자가 표시되지 않은 트랜지스터 단자에 1, 2, 3을 표시한다.

(2) 멀티미터의 선택 스위치를 다이오드 스케일에 위치한다(다이오드 스케일이 없으면 \(2\text{k}\Omega\)범위로 설정한다).

(3) 미터의 양의 리드(lead)를 트랜지스터 단자 1에, 음의 리드를 단자 2에 연결하고, 지시값들을 다음의 표에 기록한다((3)~(8)).

(4) 미터 리드를 반대로 연결하고, 지시값을 밑의 표에 기록한다.

(5) 미터의 양의 리드를 트랜지스터 단자 1에, 음의 리드를 단자 3에 연결하고, 지시값을 밑의 표에 기록한다.

(6) 미터 리드를 반대로 연결하고, 지시값을 기록한다.

(7) 미터의 양의 리드를 트랜지스터 단자 2에, 음의 리드를 단자 3에 연결하고, 지시값을 밑의 표에 기록한다.

(8) 미터 리드를 반대로 연결하고, 지시값을 밑의 표에 기록한다.

	BJT에 연결된 미터 리드		다이오드 검사 지시값 (또는 가장 높은 저항값 범위)
순서	양	음
(3)	1	2
(4)	2	1
(5)	1	3
(6)	3	1
(7)	2	3
(8)	3	2

(DMM을 이용한 트랜지스터 단자 간 전압 측정)

(9) 트랜지스터의 두 단자 사이의 미터 지시값이 연결된 미터 리드의 극성에 관계없이 높게(OL 또는 가장 큰 값의 저항) 나타나는 곳이 있다. 이 두 단자 중 어느 것도 베이스는 아니다. 이 사실을 이용하여 밑의 표에 있는 베이스 단자의 숫자를 기록한다.((9)~(13))

(10) 미터의 음의 리드를 베이스 단자에 연결하고, 양의 리드는 트랜지스터의 다른 어느 단자에 연결한다. 지시값이 낮으면(실리콘에 대해서는 약 \(0.7\text{V}\), 게르마늄에 대해서는 \(0.3\text{V}\) 또는 낮은 저항) 트랜지스터의 형태는 pnp이고, 실험 (11)의 I로, 지시값이 높으면, 트랜지스터의 형태는 pnp이고, 실험 (11)의 II를 수행한다.

(11)

I: pnp형 트랜지스터에 대하여 미터의 음의 리드를 베이스 단자에 연결하고, 양의 리드를 트랜지스터의 다른 두 단자 중에 어느 하나에 번갈아가며 연결한다. 두 지시값 중 낮은 값은 베이스와 컬렉터가 연결된 경우이다. 따라서 남은 트랜지스터 단자는 이미터이고, 아래의 표에 단자 번호를 기록한다.

II: npn형 트랜지스터에 대하여 미터의 양의 리드를 베이스 단자에 연결하고, 음의 리드를 트랜지스터의 다른 두 단자 중에 어느 하나에 번갈아 가며 연결한다. 두 지시값 중에서 낮은 값은 베이스와 컬렉터가 연결된 경우이다. 따라서 남은 트랜지스터 단자는 이미터이고, 아래의 표에 단자 번호를 기록한다.

(12) 실험 (11)의 I 또는 II에서 지시값이 거의 \(0.7\text{V}\)이면, 트랜지스터의 재료는 실리콘이고, 거의 \(0.3\text{V}\)이면, 재료는 게르마늄이다(미터에 다이오드 검사 스케일이 없으면 재료를 직접적으로 결정할 수 없다). 아래의 표에 재료의 종류를 기록한다.

실험 (9)	베이스 단자
실험 (10)	트랜지스터 형태
실험 (11) I	컬렉터 단자
실험 (11) II	이미터 단자
실험 (12)	트랜지스터 재료

컬렉터 특성곡선과 \(\alpha,\,\beta\).

(1) 다음 그림대로 회로를 구성하고 DMM으로 저항 \(R_{C}=R_{C(\text{meas})}\)의 값을 측정한다.

(2) \(1\text{M}\Omega\) 전위차계를 변화시켜서 전압 \(V_{R_{B}}\)를 \(3.3\text{V}\)가 되게 설정한다.(참고: 이 때 \(\displaystyle I_{B}=\frac{V_{R_{B}}}{R_{B}}=10\mu\text{A}\)이다)

(3) 실험 (2)를 수행한 다음으로, \(5\text{k}\Omega\) 전위차계를 변화시켜서 \(V_{CE}=2\text{V}\)로 설정한다.

(4) 아래의 표에 \(V_{R_{C}}\)와 \(V_{BE}\)를 기록한다.

(5) \(5\text{k}\Omega\) 전위차계를 변화시켜 \(V_{CE}=2,\,4,\,6,\,8,\,10,\,12,\,14,\,16\text{V}\)로 증가시킨다. 이때 \(V_{CE}\)의 값은 변하지만 \(I_{B}=10\mu\text{A}\)로 유지된다는 점에 유의한다.

(6) 실험 (5)에서의 모든 \(V_{CE}\)값들에 대해서 \(V_{R_{C}}\)와 \(V_{BE}\)(\(\text{mV}\)범위 사용하여 기록)를 측정하고, 기록한다.

(7) 아래의 표에 기재된 나머지 모든 \(V_{R_{B}}\)에 대하여 실험 (2)부터 (6)까지 반복한다. 각각의 \(V_{R_{B}}\)값은 보여준 일련의 \(V_{CE}\)값에 대해서 다른 \(I_{B}\)전류값이 나타나게 한다.

(8) 실험 (1)~(7)로부터 얻은 자료를 이용하여 \(\displaystyle I_{C}=\frac{V_{R_{C}}}{R_{C}}\)와 \(I_{E}=I_{C}+I_{B}\)를 이용하여 \(I_{C}\)와 \(I_{E}\)를 각각의 경우에 대해 계산하여 아래의 표에 기록하고, 이때 DMM으로 측정한 \(R_{C}\)의 값을 사용한다.

(9) 아래의 표의 모든 줄에서 \(\displaystyle\alpha=\frac{I_{C}}{I_{E}}\)와 \(\displaystyle \beta=\frac{I_{C}}{I_{B}}\)를 이용하여 \(\alpha,\,\beta\)를 계산하고 표에 기록한다.

\(V_{BB}(\text{V})\) (측정값)	\(I_{B}(\mu\text{A})\) (계산값)	\(V_{CE}(\text{V})\) (측정값)	\(V_{RC}(\text{V})\) (측정값)	\(I_{C}(\text{mA})\) (계산값)	\(V_{BE}(\text{V})\) (측정값)	\(I_{E}(\text{mA})\) (계산값)	\(\alpha\) (계산값)	\(\beta\) (계산값)
3.3	10	2
		4
		6
		8
		10
		12
		14
		16
6.6	20	2
		4
		6
		8
		10
		12
		14
9.9	30	2
		4
		6
		8
		10
13.2	40	2
		4
		6
		8
16.5	50	2
		4
		6

(10) 위 표에 기록된 값들을 이용하여 트랜지스터의 컬렉터 특성곡선(다양한 \(I_{B}\)값에 대하여 \(V_{CE}\)에 대한 \(I_{C}\)의 그래프)을 그린다. 이때 \(I_{C}\)에 대해서는 적절한 스케일을 선택하고 각각의 \(I_{B}\)곡선에 해당 값들을 표기한다.

트랜지스터의 특성곡선 결정(커브 트레이서 이용)

(1) 커브 트레이서의 이용이 가능하면, 이것을 이용하여 Q2N3904 트랜지스터의 컬렉터 특성곡선을 화면에 나타낸다. 이때 \(I_{B}\)에 대한 계단함수로 \(10\mu\text{A}\)를 이용하고, '컬렉터 특성곡선과 \(\alpha,\,\beta\)'실험과정의 (10)의 그래프와 같은 스케일의 \(V_{CE}\)와 \(I_{C}\) 스케일을 선택한다.

(2) 커브 트레이서에서에서 얻은 특성곡선을 그리고, 모든 곡선에 \(I_{B}\)값을 표시하고, 두 축에 스케일을 표시한다.

(3) 실험 (2)의 특성곡선과 '컬렉터 특성곡선과 \(\alpha,\,\beta\)'실험과정의 (10)의 그래프를 비교한다.

(Pspice를 이용한 특성곡선 실험)

(실험을 위한 회로. 컬렉터 특성곡선과 \(\alpha,\,\beta\) 실험의 회로에서 전위차계를 중간으로 설정한 회로이다.)

(\(I_{C}\)의 특성곡선)

참고자료:

Laboratory Manual to accompany Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Monssen, Pearson

http://doe.carleton.ca/~cp/electronics/359Lab1notes.pdf

http://inc.kmutt.ac.th/course/inc221/INC221%20lecture5%20%20Bipolar%20junction%20transistor.pdf