PART5반도체 (Semiconductor)
실험 3 :NPN 트랜지스터 (Transister)
이론
트랜지스터는 두 개의 반도체 접합부를 서로 아주 근접하도록 형성시켜서 만든다. npn트랜지스터는 그림 5-7 (a)와 같은 두 개의 n형 물질과 p형 물질로서 구성되어 있다. n형물질의 한 영역을 콜렉터(collector), 그리고 또 다른 n영역은 이미터(emitter), 중앙에 있는 p형 영역은 베이스(base)라고 부른다. 그림 5-7 (b)에서 이미터 단자의 화살표는 트랜지스터가 npn형 또는 pnp형인가에 따라 방향이 바뀐다. 다이오드에서와 마찬가지로 화살표의 앞부분은 이미터와 베이스 사이의 전류의 방향을 나타낸다.
트랜지스터의 이미터가 입력과 출력사이에 공통단자로 되었을 때를 공통이미터(common emitter ; CE)구조라고 부르며, 콜렉터는 출력 단자이고, 베이스는 입력단자가 된다. CE 순방향전류이득은 가장 중요한 트랜지스터 특성이며, β 또는 hFE로 표시한다. 여기서는 직류 CE순방향 전류이득은 hFE로 표시하며 다음과 같이 정의한다.
그림 5-8은 CE구조에서 베이스-이미터접합이 순방향 바이어스, 베이스-콜렉터접합이 역방향 바이어스 된 회로를 보인 것이다. 그림 5-7의 CE회로의 대표적인 특성곡선을 그림 5-9에 나타내었다.
IB=20μA 및 IC=2.2mA 의 Q점 조건에 대한 hFE의 계산은 다음과 이 된다.
hFE와 함께 CE회로에 대한 교류 전류이득이 자주 사용되는데 이것은 다음과 같이 정의 된다.
그림 5-9에 나타낸 트랜지스터에서 Q점과 A점 사이에서의 교류전류이득은 다음과 같이 계산된다.
교류전류이득 hfe는 직류전류이득 와hFE 중요한 차이를 나타낸다. 이 점에서 CE회로는 교류신호에 대하여 전류이득 hfe가 보다 큰 값으로 규정된다는 것을 알 수 있다. 또한 보는 바와 같이 이는 중요한 전압이득을 나타낸다. 작은 신호를 받아서 같은 형태의 큰 신호로 변환할 수 있는 능력은 트랜지스터의 가장 유용한 특성이다. 이러한 과정을 증폭이라고 부른다.
키르히호프의 전류법칙에 의하여 트랜지스터의 전류는 다음과 같이 쉽게 나타낼 수 있다.
베이스전류는 이미터와 콜렉터전류에 비하여 매우 작으며, 두 전류값의 차와 같다. 대부분의 계산에서 이미터와 콜렉터전류는 서로 같다고 가정하여도 무방하다
실험 과정
1. npn 트랜지스터의 특성을 실험하기 위해 M-05의 회로-3를 사용한다. 이 회로에서 3e-3f 양단에 전류계를, 3i-3j 양단에 전압계를 연결하여 그림 5-10과 같이 회로를 구성한다. (전압계의 입력 임피던스는 1MΩ이상의 것을 사용한다.)
2. 3a 단자에는 5V가 인가되어 있으며, IB가 10μA가 되도록 R1을 조정한다. IB와 VR2의 관계는 아래 식과 같다. 그리고 3d 단자에는 VCE의 전압이 10V가 되도록 전압을 인가한다.(0~20V 출력의 +를 3d에 GND를 4k에 연결) 그리고 전류계로부터 콜렉터 전류 IC를 측정하여 표 5-5에 기록한다.(R4)
3. 베이스 전류 IB를 표 5-5에서와 같이 R1을 이용하여 변화시키면서 베이스 전류(IB)에 따른 콜렉터 전류 IC를 측정하여 해당란에 기록하여라.(R4)
4. 베이스 전류 IB를 20μA로 조정한 후, VCE를 표 5-6과 같이 변화시키면서 콜렉터 전류 IC를 측정하여 기록하여라. (R4)
5. 베이스 전류 IB를 40, 60, 80 μA로 변화시키면서 각각의 VCE에 대하여 콜렉터 전류를 측정하여 표 5-6의 해당란에 기록하여라. (R4)
6. 3e-3f를 개방하고 3g-3h양단에 전류계를 연결한 후 전과 동일한 방법으로 IC를 측정하여 표 5-5의 R3란에 기록한다.
tab1실험 5-3.1 NPN 트랜지스터 특성 측정 (M-05의 Circuit-3에서 그림 5-10와 같이 회로를 구성한다.)
R2와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정
1.결선방법(M-05의 Circuit-3, 그림 5-10)
1.전원 결선
M04 보드의 Variable Power에 V1 단자와 Circuit-3의 VCE 5V~15V 단자 3a(+) 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 3b(-) 간을 흑색선으로 연결한다.
2.계측기 결선
전류계 결선
별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.
R2와 Collector 간 흐르는 (Ic) 측정 : Circuit-3의 단자 3e에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 3f에 흑색선을 연결한다.
전압계 결선
저항 R4 양단 전압 측정 : R4의 단자 3i와 전면패널 Multimeter High 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 3j와 Low 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.결선도
flash
3.측정 방법
- 1Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 dmm 을 선택하고 를 클릭한다.
- 2Touch LCD 패널 하단의 quick launch 를 선택하고 Variable Power를 클릭하면 3 CH DC 화면이 나타난다.
을 선택하고 00.0V의 우측에 을 클릭하여 입력전압을 DC 10.0V 설정하고 Digital Multimeter에서 지시되는 전압값(R4 양단 전압)을 가변 저항 R1 조정하여 100mV 가 되도록 한 다음 별도의 Digital Multimeter의 전류값을 표 5-5에 기록한다.
가변 저항 R1 조정하여 100mV 간격으로 하여 800mV까지 측정 기록한다.
가변저항 R1에는 5V가 인가되어 있으며 IB 가 10μA가 되도록 R1을 조정한다. IB 는 베이스 전류로서 다음 식으로 구해진다.
IB=VR2/R2
따라서 IB=10μA 일 경우, VR2=R2×IB=10×103×10×10-6로 구해진다. 그러므로 R2의 양단전압이 100mV 일 경우 IB 가 10μA이다. IB=20μA 일 경우는 200mV.. IB=80μA,일 경우는 800mV로 측정하여 IC를 측정하면 된다..
- 3측정이 끝나면 을 클릭하여 출력을 차단한다.
R3와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정
1.결선방법(M-05의 Circuit-3, 그림 5-10)
1.전원 결선은 [R2와 Collector 간 흐르는 [Measuring (IC) 측정]> 결선 방법과 동일하다.
2.계측기 결선
전류계 결선
별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.
R3와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정 : Circuit-3의 단자 3g에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 3n에 흑색선을 연결한다.
전압계 결선
<전압계 결선>은 [R2와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정]> 결선 방법과 동일하다.
2.결선도
flash
3.측정 방법
- 1[R2와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정]> 결선 방법 과 동일하고 측정값은 표 5-5 해당 란에 기록한다.
- 2측정이 끝나면 을 클릭하여 출력을 차단한다.
4.계산
1. 표 5-5의 값을 가지고 Graph 5-3에 그래프를 작도하고, IB가 40μA일 경우 R2, R3로 흐르는 컬렉터 전류 (IC)를 각각 확인하고 전류증폭률을 구하시오(VCE=10V 일 경우)
실험 5-3.2 NPN 트랜지스터 특성 측정 (M-05의 Circuit-3에서 그림 5-10와 같이 회로를 구성한다.)
베이스 전류 IB를 40, 60, 80 μA로 변화시키면서 각각의 VCE에 대하여 R2와 Collector 간 콜렉터 전류를 측정
1.결선방법(M-05의 Circuit-3, 그림 5-10)
1.전원 결선
M04 보드의 Variable Power에 V1 단자와 Circuit-3의 VCE 5V~15V 단자 3a(+) 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 3b(-) 간을 흑색선으로 연결한다.
2.계측기 결선
전류계 결선
별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.
R2와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정 : Circuit-3의 단자 3e에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 3f에 흑색선을 연결한다.
전압계 결선
저항 R4 양단 전압 측정 : R4의 단자 3i와 전면패널 Multimeter High 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 3j와 Low 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.결선도
flash
3.측정 방법
- 1Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 dmm 을 선택하고 . 를 클릭하고, Touch LCD 패널 하단의 quick launch를 선택하고 Variable Power를 클릭하면 3 CH DC 화면이 나타난다.
을 선택하고 00.0V의 우측에 을 클릭하여 입력전압을 DC 4.0V 설정하고 Digital Multimeter에서 지시되는 전압값(R4 양단 전압)을 가변 저항 R1 조정하여 200mV 가 되도록 한 다음 별도의 Digital Multimeter의 전류값을 표 5-6에 기록한다.
Variable Power를 클릭하면 3 CH DC 우측에 을 클릭하여 표 5-6의 VCE 전압으로 각각 조정하여 별도의 Digital Multimeter 전류 측정값(IC) 을 표 5-6에 기록한다.
만일 R4 양단 전압이 200mV(400mV, 600mV, 800mV)에서 벗어난다면 가변 저항 R1 조정하여 설정 전압에 맞도록 하여 R2와 Collector 간 흐르는 전류(IC) 측정하여 기록한다.
- 2측정이 끝나면 을 클릭하여 출력을 차단한다.
베이스 전류 (IB) 를 40, 60, 80μA 로 변화시키면서 각각의 VCE에 대하여 R3와 Collector 간 콜렉터 전류를 측정
1.결선방법(M-05의 Circuit-3, 그림 5-9)
1.전원 결선은 [베이스 전류 (IB) 를 40, 60, 80μA 로 변화시키면서 각각의 VCE에 대하여 R2와 Collector 간 콜렉터 전류를 측정]과 동일하다.
2.계측기 결선
전류계 결선
별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.
R3와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정 : Circuit-3의 단자 3g에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 3h에 흑색선을 연결한다.
전압계 결선
<전압계 결선> 은 [베이스 전류 (IB) 를 40, 60, 80 μA 로 변화시키면서 각각의 VCE에 대하여 R2와 Collector 간 콜렉터 전류를 측정]과 동일하다.
2.결선도
flash
3.측정 방법
- 1[베이스 전류 IB 를 40, 60, 80μA 로 변화시키면서 각각의 R2와 Collector 간 콜렉터 전류를 측정]>측정 방법>1) 과정과 동일하며 표 5-6에 기록한다.
- 2측정이 끝나면 을 클릭하여 출력을 차단한다.
4.계산
1. 표 5-6의 값을 가지고 Graph 5-4에 그래프를 작도하고, 컬렉터 이미터 간 전압(VCE)이 10V, 컬렉터 전류 (IC)가 6mA 간을 직선으로 그리고 베이스 전류(IB) 가 40uA 인 점을 Q점으로 하고, Q점 조건에 대한 직류 전류 이득인 전류증폭률(hFE)을 각각 구하시오.
2. Q점에 대해 수직선을 그리고 베이스 전류(IB)가 20uA 인 점을 A점으로 하여 ΔIB, ΔIC를 산출하여 교류 전류 이득을 구하시오.
실험 결과 보고서
1. 실험 결과표
2. 검토 및 정리
1) 표 5-5의 값을 가지고 Graph 5-3에 그래프를 작도하고, IB가 40 μA 일 경우 R2, R3로 흐르는 컬렉터 전류 (IC)를 각각 확인하고 전류증폭률을 구하시오(VCE=10V 일 경우)
Graph 5-3
2) 표 5-6의 값을 가지고 Graph 5-4에 그래프를 작도하고, 컬렉터 이미터 간 전압(VCE)이 10V, 컬렉터 전류 (IC)가 6mA 간을 직선으로 그리고 베이스 전류(IB) 가 40uA 인 점을 Q점으로 하고, Q점 조건에 대한 직류 전류 이득인 전류증폭률(hFE)을 각각 구하시오.
Graph 5-4
3) Q점에 대해 수직선을 그리고 베이스 전류(IB)가 20uA 인 점을 A점으로 하여 ∆IB,∆IC 를 산출하여 교류 전류 이득을 구하시오.
