2012년 10월 25일 목요일

트랜지스터 구조, 동작특성

2. 트랜지스터
(1) 트랜지스터의 구조와 동작
[1] 트랜지스터의 내부

[2] 트랜지스터에 흐르는 전류(단, npn형에 대해 설명)

(가) 전압을 가하는 방법

- B와 E간의 pn접합면 …V

_BE

⇒ 순방향 전압
- C와 B간의 pn접합면 …V

_CB

_CE

-V

_BE

⇒ 역방향 전압


EBJ	CBJ	상 태	응 용
순방향	역방향	능동 상태	증폭 작용
역방향	역방향	차단 상태	스위칭 작용
순방향	순방향	포화 상태	스위칭 작용

⇒

능동 상태

(나) 전류의 흐름
- I

는 I

에 의해 크게 변화
- I

는 V

_BE

에 의해 크게 변화
- I

는 V

_CE

에 의해 크게 변화 않는다.
- I

[3] 내부에서 전자의 움직임

- C-B간 역전압이 가해져 있는 것만으로는 전류가 흐르지 않는다. 단, C-B 접합면 가까이에는 전기장이 있다.
- B-E간에 순전압을 가하면, 이미터에서 베이스로 많은 전자가 흘러 들어가고, 그 전자의 대부분은 베이스가 대단히 얇으므로 바로 C-B접합면 가까이에 도달.
- C-B 접합면까지 도달한 전자는 그 접합면 가까이에 있는 전기장에 끌려 컬렉터 속으로 들어간다.

(a) 이미터 전류 I

: B-E 간에 가해진 순전압 V

_BE

때문에 이미터에서 속으로 들어간 전자의 양에 상당하는 전류
(b) 베이스 전류 I

: 베이스 속으로 들어간 전자 중에서 C-B 접합면까지 도달하지 않은 전자의 양에 상당하는 전류
(c) 컬렉터 전류 I

: 베이스 속으로 들어간 전자 중에서 C-B 접합면까지 도달하고 이어서 컬렉터 속으로 끌려 들어간 전자의 양에 상당하는 전류

(2) 트랜지스터의 특성 표시
[1] 전압-전류 특성

(가) I

를 일정하게 유지했을 때의 V

_CE

와 I

의 관계를 그래프로 그린 것…V

_CE

-I

특성(출력 특성)도 : I

는 I

에 의해 크게 변화하고 V

_CE

에는 그다지 영향을 받지 않는다.
(나) V

_CE

를 일정하게 유지했을 때의 I

와 I

의 관계를 그래프로 그린 것…I

-I

특성(전류 특성)도 : I

와 I

는 거의 정비례한다.
(다) V

_CE

를 일정하게 유지했을 때의 V

_BE

와 I

의 관계를 그래프로 그린 것…V

_BE

-I

특성(입력 특성)도 : V

_BE

가 어느 값 이상이 되면 I

가 크게 변화한다.
(라) I

를 일정하게 유지했을 때의 V

_CE

와 V

_BE

의 관계를 그래프로 그린 것…V

_CE

-V

_BE

특성(전압 특성)도
① V

_CE

-I

특성에서는

에 의해 I

가 크게 변화하므로, 여러 개의 곡선이 그려진다.
② I

-I

특성, V

_BE

-I

특성에서는 V

_CE

에 의해 특성이 그다지 변화하지 않으므로, 어떤 크기의 V

_CE

일 때의 특성 곡선 1개만 나타내어 있는 경우가 많다.

[2] 최대 정격

① 트랜지스터에 가할 수 있는 최대 전압, 흘릴 수 있는 최대 전류를 최대 정격이라 한다.
② V

_CE

나 I

가 최대 정격값 이내라도 P

_CE

가 컬렉터 손실 PCM 이내라야 한다.

[3] h상수

(가) h

_FE

(직류 전류 증폭률) : I

와 I

의 비

(나)

h상수

①

_oe

(출력 어드미턴스)

: V

_CE

-I

특성 곡선의 기울기, 즉 ΔI

/ΔV

_CE

이고 단위는 [Ω

^-1

]또는 [?]로 된다.
②

_fe

(전류 증폭률)

: I

-I

특성 곡선의 기울기. 즉 ΔI

/ΔI

이고 단위는 없다.
③

_ie

(입력 임피던스)

: V

_BE

-I

특성 곡선의 기울기, 즉 ΔV

_BE

/ΔI

이고, 단위는 [Ω]으로 된다.
④

_re

(전압 되먹임률)

: V

_CE

-V

_BE

특성 곡선의 기울기, 즉 ΔV

_BE

/ΔV

_CE

이고, 단위는 없다.
- 특성의 일부분을 이용할 때 특성 전부가 없어도 그 부분의 특성이 거의 직선이 되므로 특성 곡선의 기울기를 알면 충분하다. → 이 때문에 곡선 대신에 h상수로 그 특성을 나타낸다. 트랜지스터 등가 회로에서 중요한 역할을 함.
- I

_CBO

: 이미터 개방시, C-B간에 흐르는 누설 전류. 컬렉터 차단전류. C-B 간에 역방향 전압을 가하고, B-E 간에는 전압을 가하지 않을 때 컬렉터로 흐르는 전류. 대단히 작은값. 온도에 따라 크게 변화. I

_CBO

가 작은 트랜지스터 사용하면 안정.

(3) 간단한 트랜지스터 회로

[1] I_B와 V_BE

₁

→R

₁

→TR의 B-E→E

₁

회로(입력회로)
E

₁

_R1

_BE

₁

_BE

=-V

_BE

₁

[2] I_C와 V_CE

₂

→R

₂

→TR의 C-E→E

₂

회로(출력회로)
E

₂

_R2

_CE

₂

_CE

=-V

_CE

₂

(4) 형명의 표시법

반도체 소자의 형명 표시법


① 숫자 S ② 문자 ③ 숫자 ④ 문자

①의 숫자

: 반도체의 접합면수

(0 : 광트랜지스터, 광다이오드, 1 : 각종 다이오드, 정류기, 2 : 트랜지스터, 전기장 효과 트랜지스터, 사이리스터, 단접합 트랜지스터, 3 : 전기장 효과 트랜지스터로 게이트가 2개 나온 것)

.
S는 반도체(Semiconductor)의 머리 문자.

②의 문자

: A,B,C,D 등 9개의 문자

(A : pnp형의 고주파용, B : pnp형의 저주파형, C : npn형의 고주파형, D : npn형의 저주파용, F : pnpn사이리스터, G : npnp 사이리스터, H : 단접합 트랜지스터, J : p채널 전기장 효과 트랜지스터, K : n채널 전기장 효과 트랜지스터)

③의 숫자

: 등록 순서에 따른 번호. 11부터 시작.

④의 문자

: 보통은 붙지 않으나, 특히 개량품이 생길 경우에 A, B, …, J까지의 알파벳 문자를 붙여 개량 부품임을 나타냄.
예) 2SC316A → npn형의 개량형 고주파용 트랜지스터

http://user.chollian.net/~kimjh94/junja/junja_2/junja2-2.html

Bipolar Junction Transistor(BJT) Current Gain

Current Gain

A BJT is a Current Operated Transistor.

The current flowing between emitter and collector of a transistor is much greater than that flowing between base and emitter. So a small base current is controlling the much larger emitter collector current. The ratio of the two currents, I_CE / I_BE is constant, provided that the collector emitter voltage V_CE is constant. Therefore, if the base current rises, so does collector current.

This ratio is the CURRENT GAIN of the transistor and is given the symbol h_fe. A fairly low gain transistor might have a current gain of 20 to 50, while a high gain type may have a gain of 300 to 800 or more. The spread of values of h_fe for any given transistor is quite large, even in transistors of the same type and batch.

Fig. 6.1 Transfer Characteristic.

The graph of I_CE / I_BE shown (right) is called the TRANSFER CHARACTERISTIC and the slope of the graph shows the h_fe for that transistor.

Characteristic curves (graphs) can be drawn to show other parameters of a transistor, and are used both to detail the performance of a particular device and as an aid to the design of amplifiers.

Fig. 6.2 Input Characteristic.

The INPUT CHARACTERISTIC (right), a graph of base emitter current I_BE against base emitter voltage V_BE (I_BE/V_BE) shows the input CONDUCTANCE of the transistor. As conductance I / V is the reciprocal of RESISTANCE (V / I) this curve can be used to determine the input resistance of the transistor. The steepness of this particular curve when the V_BE is above 1 volt shows that the input conductance is very high, and there is a large increase in current (in practice, usually enough to destroy the transistor!) for a very small increase in V_BE. Therefore the input RESISTANCE must be low. Around 0.6 to 0.7 volts the graph curves shows that the input resistance of a transistor varies, according to the amount of base current flowing, and below about 0.5 volts base current ceases.

Fig. 6.3 Output Characteristic.

Fig. 6.3 (right) shows the OUTPUT CHARACTERISTIC whose slope gives the value of output conductance (and by implication output resistance). The near horizontal parts of the graph lines show that a change in collector emitter voltage V_CE has almost no effect on collector current in this region, just the effect to be expected if the transistor output had a large value resistor in series with it. Therefore the graph shows that the output resistance of the transistor is high.

The above characteristic graphs show that, for a silicon transistor with an input applied between base and emitter, and output taken between collector and emitter (a method of connection called common emitter mode) one would expect;

• Low input resistance (from the input characteristic).
• Fairly high gain (from the transfer characteristic).
• High output resistance (from the output characteristic).

Fig. 6.4 Mutual Characteristic.

Fig. 6.4 (right), the MUTUAL CHARACTERISTIC shows a graph of MUTUAL CONDUCTANCE I_C/V_BE and illustrates the change in collector current which takes place for a given change in base emitter voltage, (i.e. input signal voltage). This graph is for a typical silicon power transistor. Notice the large collector currents possible, and the nearly linear relationship between the input voltage and output current.

The characteristics described on this page are those relating to a typical power transistor connected in the "common emitter" mode. This is one of three possible modes of connection for a transistor described on page 7 of this section. − Transistor Connections.

Note: In many transistors the currents will be much smaller than shown here. For small signal amplifiers, base currents will be a few micro−amps rather than milli−amps.

http://www.learnabout-electronics.org/bipolar_junction_transistors_06.php

전자기 진동

Triac / Scr / 다이액

15.사이리스터란?

사이리스터란 p-n-p-n접합의 4층 구조 반도체 소자의 총칭으로서, 역저지 사이리스터, 역도통 사이리스터, 트라이액이 있습니다. 그러나 일반적으로는 SCR(Silicon-Controlled Rectifier Thyristor)이라고 불리는 역저지 3단자 사이리스터를 가리키며, 실리콘 제어 정류소자를 말합니다.

사이리스터는 3개이상의 P-N접합을 1개의 반도체 기판 내에 형성함으로서 전류가 흐르지 않는 오프 상태와 전류가 흐 를 수 있는 온 상태의 2개의 안정된 상태가 있고, 또한 오프 상태에서 온 상태로 또는 온 상태에서 오프 상태로 이행이 가능한 반도체 소자입니다. 사이리스터는 일반적으로 전력용 트랜지스터에 비해 고내압에서 우수한 특성을 나타냅니다.

사이리스터 중에는 다음과 같은 SCR이나 다이액, 트라이액이라고 부르고 있는 것이 있습니다. 일반적으로 사용되는 SCR이나 다이액, 트라이액이라는 명칭은 실제는 상품명으로 정식적인 호칭은 아닙니다.

SCR - 3극 단방향 사이리스터
다이액 - 2극 쌍방향 사이리스터
트라이액 - 3극 쌍방향 사이리스터

사이리스터의 장점

가. 고전압 대전류의 제어가 용이하다.

나. 제어이득이 높고, 게이트 신호가 소멸하여도 온 상태를 유지할 수 있다.

다. 수명은 반영구적으로 신뢰성이 높다. 또 써지 전압 전류에도 강하다.

라. 소형, 경량으로 기기나 장치에의 설치가 용이하다.

이러한 장점을 갖고 있는 사이리스터는 가전제품, OA기기, 산업용 기기 등의 전력제어 분야에서 널리 사용되고 있으며, 수십A이하의 중,소 전력 사이리스터만도 여러가지가 있습니다.

사이리스터의 종류 및 구조

SCR 사이리스터

아래 그림에서 A, K, G는 각각 애노드(anode), 캐소드(cathode), 게이트(gate)를 나타내고, 전류는 항상 애노드에서 캐소드로 흐릅니다.

GTO 사이리스터(Gate-Turn-Off Thyristor)(3단자 턴오프 사이리스터)

GTO사이리스터의 각 단자의 명칭은 SCR 사이리스터와 같고, 전류는 항상 애노드에서 캐소드로 흐릅니다.

게이트에 양(+)전류를 흘리면 ON되고, (-)전류를 흘리면 OFF되는 SCR이며, SCR 사이리스터와 달리 음의 게이트 전류 펄스에 의하여 턴 오프가 가능하며, 일단 오프되면 게이트 전류 없이도 오프 상태를 유지하는 트리거 오프(trigger off) 기능을 가집니다.

SCR 사이리스터의 회로도 기호

다이액(Diac)

다이액은 위의 그림에 나타난 바와 같이 PNPN반도체 층이 양방향으로 결합되어, 양방향으로 전류를 흘릴 수 있는 2단자 소자입니다. 캐소드가 없는 대신에 애노드1과 애노드2가 있습니다. 다이액은 두 단자의 극성에 상관없이 다이액 양단의 전압이 일정 전압(브레이크오버 전압이라고 합니다)에 도달하면 도통되고, 전류가 유지전류 이하로 떨어지면 단락됩니다. 도통된 다이액의 전류방향은 인가된 전압에 극성에 따라 결정됩니다.

트라이액(Triac)

트라이액은 3단자 교류 스위치의 약어로 이를 개발한 GE社의 상품명에서 기인하여 지금까지 사용되고 있지만 쌍방향 3단자 제어 정류소자로도 불립니다.

SCR의 응용분야

SCR은 계전기 제어, 시간지연 회로, 모터 제어, 전압 조정, 축전지 충전기, 위상제어 등을 포함한 많은 응용분아에 사용되고 있습니다. 최근의 SCR은 1800V, 2000A와같이 높은 정격 전압과 정격 전류로 10MW 정도의 높은 전력을 제어하도록 설계되고 있습니다. 또한 응용주파수 범위는 약 50Khz로 확장되어 유도가열이나 초음파 세척기와 같은 고주파용으로도 많이 응용되고 있습니다.

Scr
SCR - 3극 단방향 사이리스터
SCR 사이리스터
아래 그림에서 A, K, G는 각각 애노드(anode), 캐소드(cathode), 게이트(gate)를 나타내고, 전류는 항상 애노드에서 캐소드로 흐릅니다.
SCR의 응용분야
SCR은 계전기 제어, 시간지연 회로, 모터 제어, 전압 조정, 축전지 충전기, 위상제어 등을 포함한 많은 응용분아에 사용되고 있습니다. 최근의 SCR은 1800V, 2000A와같이 높은 정격 전압과 정격 전류로 10MW 정도의 높은 전력을 제어하도록 설계되고 있습니다. 또한 응용주파수 범위는 약 50Khz로 확장되어 유도가열이나 초음파 세척기와 같은 고주파용으로도 많이 응용되고 있습니다.

16. SCR의 동작원리

SCR은 위의 그림과 같이 2개의 트랜지스터로 구성된 등가회로로 생각할 수 있습니다. 윗쪽 트랜지스터는 PNP트랜지스터의 역할을 하고 아랫쪽의 트랜지스터는 NPN트랜지스터의 역할을 합니다. 단, 두개의 트랜지스터가 맞붙는 중간층은 서로 공유됩니다.

1) SCR의 턴 온(Turn-on)과정

(1)	아래의 그림과 같이 게이트가 접지되면 Q1은 개방상태에 있게 됩니다. 이때 I_B2는 너무 작아서 Q2를 턴 온 상태로 만들지 못합니다. 그러므로 모두가 개방상태에 있게 되고 SCR은 하나의 개방회로가 됩니다.

(2)	이 때 아래의 그림과 같이 게이트에 충분히 큰 벌스 전압 V_G를 인가하면 Q1이 온 상태가 되고 Q2의 베이스 전류의 증가는 I_B2를 더욱 증가되게 합니다. 결과적으로 A-K간 저항은 대단히 작아져서 아래의 그림과 같이 SCR은 하나의 단락회로가 되게 됩니다. 일반적은 SCR은 0.1us ~ 1us의 턴 온 시간을 갖습니다.

(3)	위와 같은 게이트에 의한 트리거 뿐만 아니라 온도를 현저하게 증가시키거나 Breakover 전압 이상으로 전압을 증가시킴으로 SCR을 온 상태로 만들수도 있습니다.
(4)	일단 SCR이 온 상태가 되면 아래의 그림과 같이 게이트 신호를 제거하여도 오프 상태로 변화되지는 않습니다. 단지 위에서 소개한 GTO형의 SCR만이 게이트에 음의 펄스를 인가하여 오프상태로 만들 수 있습니다.

2) SCR의 턴 오프(Turn-off)방법

SCR을 오프 상태로 만들기 위한 방법은 양극전류 차단법과 강제전환법이 있습니다. 양극 전류 차단법은 아래의 그림(a)와 같이 직렬 스위치를 개방시키는 방법과 (b)의 그림과 같이 병렬 스위치를 단락시키는 방법이 있으며 두가지 모두 애노드 전류가 0이 되어 SCR이 오프상태로 됩니다.

강제전환법은 강제로 SCR내의 순방향 전류의 반대방향으로 전류가 흐르도록 하는 방법입니다. 가장 기본적인 회로는 아래의 그림과 같습니다.

위의 그림의 (a)에서와 같이 스위치가 개방되어 있으면 SCR은 도통상태에 있게 됩니다. 이 때 (b)와 같이 스위치를 닫아 순방향 전류와 반대방향으로 전류가 흐르게 되면 SCR은 오프 상태로 됩니다. 보통 SCR의 턴 오프 시간은 수us ~ 수십us 정도 입니다.

17.SCR의 특성곡선

순방향 브레이크오버 전압 (V_B)

SCR이 순방향 차단영역에서 순방향 전도영역으로 들어가기 위한 전압을 순방향 브레이크오버 전압이라 합니다. 위의 그림에 나타난 바와 같이 게이트 전류 I_G가 증가하면 순방향 브레이크오버 전압은 감소합니다. 게이트 전류 I_G = 0일때 순방향 브레이크오버 전압이 최대가 됩니다.

유지전류

SCR이 순방향 전도영역에서 동작하기 위한 최소의 애노드 전류를 유지전류라고 합니다.

순방향과 역방향 블로킹 영역

순방향 바이어스 전압을 인가했을때 SCR이 오프 상태인 영역을 순방향 블로킹영역이라 하고, 역방향 바이어스 전압을 인가했을때 SCR이 오프 상태인 영역을 역방향 블로킹 영역이라고 합니다.

게이트 트리거 전류 (I_G)

SCR을 순방향 블로킹영역에서 순방향 전도영역으로 전환하는데 필요한 게이트 전류를 트리거 전류라고 합니다.

순방향 전도영역

순방향 바이어스 전압을 인가했을때 SCR이 온 상태인 영역을 순방향 전도영역이라고 합니다.

역방향 항복전압

SCR이 애벌런치 영역으로 들어가서 급격히 도통되기 시작하는 애노드와 캐소드 양단의 역방향 전압을 역방향 항복전압이라고 합니다

http://www.google.co.kr/url?sa=t&source=web&cd=1&ved=0CCkQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww1.inhatc.ac.kr%2Finhatc%2Fboard1%2Fbbs.php%3Fboard%3Dpds%26uid%3Ddhcho%26mode%3Ddownload%26id%3D1905&rct=j&q=%EB%8B%A4%EC%9D%B4%EC%95%85&ei=3FvRTM6kKcP4cbntsK4L&usg=AFQjCNGMKGVfhJokD61qaLOvqGDWi6XkCQ&cad=rjt

전기,전자 학습자료 링크

RC, RL 회로 자료

RC,RL 회로 자료