트랜지스터(Transistor) + 바이어스(Biasing)

트랜지스터에 대한 글을 작성하기 앞서, 소음이 들리는 병원 침대에 엎드려 물리치료 받으며 휴식을 취하고, 야들야들한 머리고기가 들어간 국밥을 먹었다. 그리고 시원한 아이스아메리카노를 원샷하니 금상첨화(錦上添花, 그렇지 않아도 좋은데 그 위에 더 좋은 것을 보태는 것.)

가 따로 없다. 

 

1. 1948년, 벨 전화 연구소에서 탄생

전자 시대였던 1948년, 트랜지스터의 발명은 전자 공업계에서 큰 충격이 되었다. 이 후 컴퓨터를 비롯한 전자 기술이 급속히 발전하였다. 현대의 전자기술이 우리세대에서 누리고 있을 수 있던 것도 노벨상을 수상한 세명의 위대한 물리학자 (W. 쇼크레, J. 버딘, W. 브랫틴) 덕분이다. 

2. 게르마늄에서 실리콘으로 

트랜지스터는 당초 게르마늄이란 물질(반도체)로 만들어졌다.

그러나 게르마늄은  약 80°C 정도에서 파괴된다는 결점이 있어, 지금은 실리콘으로 만들어진다.

실리콘은 180ºC 정도의 열에도 견딜 수 있는 물질이다.

 

3. 트랜지스터의 역할은 "증폭"과 "스위칭" 이다.

트랜지스터의 증폭 작용의 예시는 "라디오"다.  공중을 통해 전해진 미약한 신호의 강약을 확대(증폭)하여 스피커로 울리는 것. 이러한 역할을 하는 것이 트랜지스터의 증폭 작용이다.

입력 신호의 파형을 바꾸지 않고 그 전압과 전류의 크기만을 확대하는 것이다. 이러한 역할은 아날로그 신호이며, 컴퓨터 등에서 사용되는 디지털 신호의 경우, 트랜지스터는 0과 1을 전환하는 스위치의 역할을 한다.

- 증폭 : 라디오, 입력 신호의 파형을 바꾸지 않고 전압과 전류의 크기만 확대 

- 스위칭 : 컴퓨터, 디지털 신호의 0과 1을 전환

 

4. 저항과 트랜지스터가 1개의 칩으로.. 

기존의 기판 상에서 별도로 실장*되었던 저항과 트랜지스터에 지목하여, 트랜지스터 칩에 저항을 내장한 것이 디지털 트랜지스터이다. 이 디지털 트랜지스터의 장점 

1. 실장 면적 삭감

2. 실장 시간 삭감

3. 부품수 삭감

 

실장하다 : 기기나 기판에 장치나 부품 따위를 실제로 사용할 수 있도록 설치하다.

디지털 트랜지스터는 주식회사 로움(JPY)의 특허이다. 

저항 내장 트랜지스터는 로옴(JPY)이 세계 최초로 개발하여 특허를 취득하였다고 하니 주식을 매수할까 했지만, 일본기업이며 일본거래소이므로 다음에 투자해야겠다. 필자는 국내와 미국 시장에만 투자를 하기 때문이다.

5. 베이스는 수도꼭지 이미터는 배관 콜렉터는 배출구 

트랜지스터의 역할을 수도 기구와 비교해보면 트랜지스터에는 3개의 다리가 있다. 각각 이미터E, 베이스B, 콜렉터C라고 하며, 

B 베이스 = 수도 꼭지

C 콜렉터 = 배출구 

E 이미터 = 배관  으로 비유 할 수 있다. 수도꼭지를 약한 힘(B의 입력 신호)으로 조절함으로써 뿜어 나오는 대량의 물(C로 흐르는 전류)를 조절한다.

6. 상세한 원리 

Transitor의 증폭 원리를 그림 1과 그림 2를 사용하여 설명하도록 한다. 입력 전압 e와 바이어스 전압 E1으로 만들어지는 베이스와 이미터 간의 전압 (VBE)에 비례한 전류 (IB)와 hfe(※1)배의 전류(IC)가 콜렉터를 통해 흐르게 된다.

이 콜렉터 전류 IC가 저항 RL을 흐르게 됨으로써 IC*RL의 전압이 저항 RL의 양 끝에 나타난다. 결국 입력 전압 e가 ICRL이라는 전압으로 변환(증폭) 되어 출력되는 것이다. 

 

(※1) hfe: 트랜지스터의 직류 전류 증폭율

여기서 알짜배기로 바이어스, Biasing 이란 용어에 대해 추가로 내용을 달아보겠다. 

전자공학에서 바이어스(Biasing, Q-point)는 전압이나 전류의 동작점을 미리 결정하는 것을 말한다.

다시 말해, 동작점을 기준으로 목적하는 기능이 수행 되도록 환경을 조성하는 역할을 한다. 목적하는 기능 자체가 수행이 가능하다면 기준점을 다시 설정할 필요는 없을 것이다. 주로 기준점 기준으로, 변화하는 신호가 회로에 적응 할 수 있도록 한다. 

접합형 트랜지스터에서 전압분배 회로에 의한 바이어스 예. 

접합형 트랜지스터(BJT)나 전계 효과 트랜지스터(FET)를 사용해 증폭기를 만들 경우, 소자의 특성 상 한쪽 방향으로만 전류가 흐르므로 AC 신호의 음전압을 처리할 수 없다. 따라서 DC전압을 임의로 추가함으로써 한쪽 방향으로 흐르는 전류로도 증폭이 가능하도록 할 수 있다. 이와 같이 소자가 임의의 DC 전압을 기준으로, 입력되는 소신호 AC 전압의 변동이 가능하도록 환경을 조성하는 역할을 한다. 

 

오늘은 날이 너무 좋다. 카페에 앉아 고개를 들어 창밖을 보면 커플들이 보인다. 다시 고개를 떨군다..

                                                                                -프랭크에버게일주니어식 

 

- 참고문헌 및 자료

www.rohm.co.kr/electronics-basics/transistors/tr_what1

트랜지스터 히스토리:전자 기초 지식 | 로옴 주식회사 - ROHM Semiconductor

ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8A%B8%EB%9E%9C%EC%A7%80%EC%8A%A4%ED%84%B0

트랜지스터 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EC%96%B4%EC%8A%A4

바이어스 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전