PART5 반도체 (Semiconductor)

실험 4 : PNP 트랜지스터 (Transister)

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PART5반도체 (Semiconductor)

실험 4 :PNP 트랜지스터 (Transister)

이론

fig5-11

그림 5-11pnp 트랜지스터의 구조와 기호

pnp트랜지스터는 그림 5-11 (a)와 같이 두 개의 p형 물질과 n형 물질로서 구성되어 있다. p형 물질의 한 영역을 콜렉터(collector), 그리고 또 다른 p영역은 이미터(emitter), 중앙에 있는 n형 영역은 베이스(base)라고 부른다. 그림 5-11 (b)는 그 기호를 나타낸 것이다.

fig5-12

그림 5-12공통베이스(Common base) 트랜지스터 결선

그림 5-12은 베이스-이미터 접합이 순방향바이어스 되고, 베이스-콜렉터 접합이 역방향바이어스 된 pnp트랜지스터 회로를 보여주고 있다. 저항은 회로에서 전류의 흐름을 제한하기 위한 것이다. 직류 이미터 전류 IB는 2.7V에서 0.7(실리콘의 경우)의 VEB를 빼고, 이것을 RE로 나눔으로써 2V / 1kΩ= 2mA가 된다. 그림 5-12과 같이 결선된 트랜지스터를 공통베이스(common base ; CB)형이라고 부르며, 이는 베이스가 회로의 양측에 모두 공통으로 되어있기 때문이다. CB회로에 대한 특성곡선을 그림 5-13에 나타내었다.

곡선은 인가된 VCB와 콜렉터 전류와의 관계를 입력 이미터 전류의 여러 값에 대하여 나타낸 것이다. 이들 곡선에서 2mA의 이미터 전류와 10V의 베이스-콜렉터접합 역바이어스 전압으로부터 1.8mA의 콜렉터 전류가 결정된다.

fig5-13

그림 5-13CB Characteristic Curve

CB회로에서 콜렉터와 이미터 전류 사이에는 중요한 관계가 존재한다. 콜렉터 전류는 출력전류이고, 이미터 전류는 입력전류이므로 IC/IB를 직류 CB순방향 전류이득이라고 부르며, 기호는 a 또는 hFB로 나타낸다. 여기에서는 순방향 전류이득을 hFB로 표시할 것이다.

h_FB=a=I_C/I_E

그림 5-12의 회로에서 hFB는 1.8mA/2.0mA, 즉 0.9가 된다. hFB의 대표적인 값은 0.9로부터 0.99정도의 범위를 가지며, 항상 1 미만이 된다.
그림 5-12의 회로에서 입력측(이미터)에 교류신호가 인가되었다면, CB순방향 전류이득의 교류값 hfb는 중요한 의미를 갖는다(교류에 대해서는 hfb와 같이 소문자첨자로 표시함을 유의하라). 전류이득은 다음과 같이 정의된다.

h_fb=〖ΔI〗_C/〖ΔI〗_E | V_CB=Constant

그림 5-14은 2mAp-p의 교류입력전류에 대한 그림 5-12의 CB회로를 보인 것이다. 2mAp-p 전류는 특정한 직류바이어스 레벨 근처에서 변하는 이미터전류에 기인한 것이다. 이러한 바이어스레벨(이 경우 2mA)을 정 동작전류 (quiescent current)라고 부르며, 보통 줄여서 Q점(Q-point)이라고 한다. 그림 5-13에 이것을 나타냈으며, 여기서 이미터 전류는 2mA의 정동작전류 근처인 3mA와 1mA(그림 5-13의 A 및 B점)에서 변한다. 교류전류이득(hfb)은 그림 5-13의 곡선으로부터 다음과 같이 계산된다.

h_fb=〖ΔI〗_C/〖ΔI〗_E | V_CB=Constant ≅(2.7mA-1.8mA)/(3mA-2mA) | V_CB=Constant=0.9

fig5-14

그림 5-14교류입력신호에 대한 공통 베이스 회로

이 경우 hFB는 그림 5-13의 A점과 Q점 사이에서 계산되지만, B점과 Q점 사이에서 계산된 값과 같게 된다. 이 경우에 직류와 교류전류이득은 같음에 유의하라. 실제의 문제에 있어서 보통 두 값은 정확하게 같지는 않다. CB회로에서는 전류이득이 1보다 조금 작은 값으로 주어지나, 상당히 큰 전압이득을 얻을 수 있다.

실험 과정

fig5-15

그림 5-15PNP Transistor 특성 측정 회로

1. PNP 트랜지스터의 특성을 실험하기 위해 M-05의 회로-4를 사용한다. 이 회로에서 4l-4m 양단에 전류계를, 4d-4e 양단에 전압계를 연결하여 그림 5-15와 같이 회로를 구성한다.(전압계의 입력 임피던스는 1MΩ이상의 것을 사용한다.)

2. 5a 단자에는 -5V가 인가되어 있으며, IB가 -10μA가 되도록 R1을 조정한다. IB와 VR2의 관계는 아래 식과 같다. 그리고 5i 단자에는 VCE의 전압이 -10V가 되도록 -5V ~ -15V 사이의 전압을 인가한다. (0~20V 출력의 +를 5k에 GND를 5i에 연결) 그리고 전류계로부터 콜렉터 전류 IC를 측정하여 표 5-7에 기록한다. (R4)

-I_B = -V_R2 over R2 , ~~~ -I_C = -V_R4 over R4

3. 베이스 전류 IB를 표 5-7에서와 같이 R1을 이용하여 변화시키면서 베이스 전류(IB)에 따른 콜렉터 전류 IC를 측정하여 해당란에 기록하여라.R4

4. 베이스 전류 IB를 20로 조정한 후, VCE를 표 5-8과 같이 변화시키면서 콜렉터 전류 IC를 측정하여 기록하여라.

tab1

실험 5-4.1 PNP 트랜지스터 특성 측정 (M-05의 Circuit-4에서 그림 5-15와 같이 회로를 구성한다.)

R4와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정

1.결선방법(M-05의 Circuit-4, 그림 5-15)
1.전원 결선

M04 보드의 Variable Power에 V1 단자와 Circuit-4의 VCE –5V~-15V 단자 4a(+) 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 4b(-) 간을 흑색선으로 연결한다.

2.계측기 결선

전류계 결선

별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.

R3와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정 : Circuit-4의 단자 4l에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 4m에 흑색선을 연결한다.

전압계 결선

저항 R2 양단 전압 측정 : R2의 단자 4d와 전면패널 Multimeter High 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 4e와 Low 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.결선도
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3.측정 방법
  1. 1Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 dmm 을 선택하고 dcv를 클릭한다.
  2. 2Touch LCD 패널 하단의 quick launch 를 선택하고 Variable Power를 클릭하면 3 CH DC 화면이 나타난다.

    on을 선택하고 00.0V의 우측에 arrow right 을 클릭하여 입력전압을 DC 10.0V 설정하고 전면 패널 Multimeter에서 지시되는 전압값(R2 양단 전압)을 가변 저항 R1 조정하여 -100mV 가 되도록 한 다음 별도의 Digital Multimeter의 전류값을 표 5-7에 기록한다.

    가변 저항 R1 조정하여 -100mV 간격으로 하여 -800mV까지 측정 기록한다.

    가변저항 R1에는 -5V가 인가되어 있으며, IB 가 - 10μA가 되도록 R1을 조정한다.
    IB는 베이스 전류로서 다음 식으로 구해진다.
    -IB=VR2/R2
    따라서, if IB=10μA 일 경우 VR2=R2×-IB=10×103×10×10-6=-100mV.
    로 구해진다. 그러므로 R2의 양단전압이 -100mV 일 경우 IB 가 -10uA이다. IB=-20μA일 경우는 -200mV. IB=-80μA 일 경우는 -800mV로 측정하여 IC를 측정하면 된다.

    Current (I<sub>C</sub>) = -0.9mA

    Current (IC) = -0.9mA
  3. 3측정이 끝나면 on red 을 클릭하여 출력을 차단한다.

R3와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정

1.결선방법(M-05의 Circuit-4, 그림 5-14)
1.전원 결선은 [R2와 Collector 간 흐르는 (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-4의 단자 4j에 별도 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 4k에 흑색선을 연결한다.

전압계 결선

<전압계 결선> 은 [R4와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정]> 결선 방법과 동일하다.

2.결선도
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3.측정 방법
  1. 1[R4와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정]> 결선 방법 과 동일하고 측정값은 표 5-7 해당 란에 기록한다.

    Current (I<sub>C</sub>) = -1.6mA

    Current (IC) = -1.6mA
  2. 2측정이 끝나면 on red 을 클릭하여 출력을 차단한다.
4.계산

1. 표 5-6의 값을 가지고 Graph 5-5에 그래프를 작도하고, IB가 -40μA 일 경우 R3, R4로 흐르는 컬렉터 전류 IC를 각각 확인하고 전류증폭률을 구하시오(VCE=10V 일 경우)

실험 과정

1. 베이스 전류 IB를 40, 60, 80μA로 변화시키면서 각각의VCE 에 대하여 콜렉터 전류를 측정하여 표 5-8의 해당란에 기록하여라.(R4)

tab2

실험 5-4.2 PNP트랜지스터 특성 측정 (M-05의 Circuit-4에서 그림 5-14와 같이 회로를 구성한다.)

베이스 전류 IB를 -40, -60, -80μA로 변화시키면서 각각의 VCE에 대하여 R4와 Collector 간 콜렉터 전류를 측정

1.결선방법(M-05의 Circuit-4, 그림 5-14)
1.전원 결선

M04 보드의 Variable Power에 V1 단자와 Circuit-4의 VCE –5V~-15V 단자 4a(+) 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 4b(-) 간을 흑색선으로 연결한다.

2.계측기 결선

전류계 결선

별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.

R4와 Collector 간 흐르는 (IC) 측정 : Circuit-4의 단자 4l에 별도 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 4m에 흑색선을 연결한다.

전압계 결선

저항 R2 양단 전압 측정 : R2의 단자 4d와 전면패널 Multimeter High 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 4e와 Low 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.결선도
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3.측정 방법
  1. 1Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서dmm 을 선택하고 dcv를 클릭하고, Touch LCD 패널 하단의 quick launch 를 선택하고 Variable Power를 클릭하면 3 CH DC 화면이 나타난다.

    on 을 선택하고 00.0V의 우측에 arrow right 을 클릭하여 입력전압을 DC 6.0V 설정하고 Digital Multimeter에서 지시되는 전압값(R2 양단 전압)을 가변 저항 R1 조정하여 -200mV 가 되도록 한 다음 별도의 Digital Multimeter의 전류값을 표 5-8에 기록한다.

    Current (I_C) = -1.4mA

    Current (IC) = -1.4mA

    Variable Power를 클릭하면 3 CH DC 우측에 arrow right 을 클릭하여 표 5-8의 VCE 전압으로 각각 조정하여 별도의 Digital Multimeter 전류 측정값 (IC) 을 표 5-8에 기록한다.

    만일 R4 양단 전압이 –200mV(-400mV, -600mV, -800mV)에서 벗어난다면 가변 저항 R1 조정하여 설정 전압에 맞도록 하여 R4와 Collector 간 흐르는 전류 (IC) 측정하여 기록한다.

  2. 2측정이 끝나면 on red 을 클릭하여 출력을 차단한다.

베이스 전류 IB를 -40, -60, -80μA로 변화시키면서 각각의 VCE에 대하여 R3와 Collector 간 콜렉터 전류를 측정

1.결선방법(M-05의 Circuit-3, 그림 5-9)
1.전원 결선은 [베이스 전류 를 -40, -60, -80로 변화시키면서 각각의 에 대하여 R4와 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-4의 단자 4j에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 4k에 흑색선을 연결한다.

전압계 결선

<전압계 결선> 은[베이스 전류 IB 를 40, 60, 80μA 로 변화시키면서 각각의 VCE에 대하여 R4와 Collector 간 콜렉터 전류를 측정]과 동일하다.

2.결선도
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3.측정 방법
  1. 1[베이스 전류 IB를 -40, -60, -80μA로 변화시키면서 각각의 VCE에 대하여 R4와 Collector 간 콜렉터 전류를 측정]>측정 방법>1) 과정과 동일하며 표 5-8에 기록한다.

    Current (I_C) = -2.9mA

    Current (IC) = -2.9mA
  2. 2측정이 끝나면 on red 을 클릭하여 출력을 차단한다.
4.계산

1. 표 5-8의 값을 가지고 Graph 5-6에 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.

h_FE=I_C/I_B

2. Q점에 대해 수직선을 그리고 베이스 전류(ΔIB)가 -20uA 인 점을 A점으로 하여 ΔIB, ΔIC 를 산출하여 교류 전류 이득을 구하시오.

h_fe=〖∆I〗_C/〖∆I〗_B | V_CE=Constant

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실험 결과 보고서

result
PNP 트랜지스터 (Transister)
1. 실험 결과표

표 5-7

result_table
IB [㎂]-10-20-30-40-50-60-70-80
IC [㎃]R4
R3

표 5-8

result_table
VCE [V] -4-6-8-10-12-14-16
IC [㎃]IB : -20㎂R4
R3
IB : -40㎂R4
R3
IB : -60㎂R4
R3
IB : -80㎂R4
R3
2. 검토 및 정리
1) 표 5-7의 값을 가지고 Graph 5-5에 그래프를 작도하고, IB가 -40 μA 일 경우 R4, R3로 흐르는 컬렉터 전류 (IC)를 각각 확인하고 전류증폭률을 구하시오(VCE=10V 일 경우)

section paperGraph 5-5

2) 표 5-8의 값을 가지고 Graph 5-6에 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.

section paperGraph 5-6

h_FE=I_C/I_B

3) Q점에 대해 수직선을 그리고 베이스 전류(IB)가 -20uA 인 점을 A점으로 하여 ΔIB,∆ΔIC 를 산출하여 교류 전류 이득을 구하시오.

h_fe=〖∆I〗_C/(∆I_B )

4) 컬렉터 저항을 R3로 할 경우와 R4로 할 경우 graph 6 에서 차이가 나는 이유를 설명하시오.
5) 동작점 Q에 대해 기술하시오.
3. 실험 결과에 대해 토의한다.