전기 에너지의 증폭(트랜지스터의 원리)

학습 목표

트랜지스터의 구조와 증폭 원리를 설명할 수 있다.

물리학 I 과 물리학 II의 연결고리

1947년 미국 벨연구소의 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리, 존 바딘에 의해서 트랜지스터가 개발되었다. 트랜지스터는 전압과 전류 흐름을 조절하여 증폭하거나 스위치 역할을 하는 반도체 소자로써 현대 전자기기의 기본 구성요소를 이룬다. 트랜지스터는 전자의 흐름을 제어하는 일종의 밸브이다. 수도 파이프에 장착된 밸브를 돌려서 수량을 조절하는 것처럼 트랜지스터는 홍수처럼 밀려오는 전자들 중 극히 일부만 통과시키는 초미세 전자밸브의 역할을 한다. 그러므로 트랜지스터를 이용하면 작은 신호를 크게 증폭할 수 있다.

최초의 컴퓨터 '애니악'

트랜지스터 발명 이전의 컴퓨터 ‘애니악'은 1만 8천 개가 넘는 진공관을 사용해 작동됐다. 진공관은 부피가 큰 부품이었기 때문에 애니악의 크기는 방 하나만 했고, 무게는 일반 승용차 30대 정도였다. 하지만 트랜지스터 개발로 전자 제품 소형화 시대가 열렸고, 전자 기기는 현재 사용하는 컴퓨터, 노트북, 스마트폰 등의 크기로 획기적인 몸집 줄이기가 가능해졌다. 바야흐로 전자공학 분야에 혁명을 일어나게 됐다. 이 혁혁한 공을 세운 개발자들에게 1956년 노벨 물리학상이 수여되었다.

트랜지스터의 구조와 원리

①트랜지스터의 구조

트랜지스터 기호에서 화살표 방향은 전류의 흐름 방향

트랜지스터는 p형과 n형 반도체를 접합시켜 그림과 같이 p-n-p형과 n-p-n형으로 만들어진다.

각각의 트랜지스터는 이미터(E), 베이스(B), 컬렉터(C)라는 3개의 단자를 가진다.

트랜지스터는 베이스(B)에 흐르는 작은 전류에 의해 이미터(E)와 컬렉터(C) 사이에 큰 전류를 흐르게 할 수 있다. 

 

②트랜지스터의 작동 원리; 스위칭

그림과 같이 스위치가 열려 있는 회로에서 베이스와 컬렉터 사이에 역방향 전압이 걸려 있다. 따라서 컬렉터에 전류가 흐르지 않는다. 이때 스위치를 닫아 '이미터와 베이스' 사이에 순방향 전압을 걸어주면 이미터(E)에서 방출(Emit)되는 양공이 베이스를 건너 컬렉터(C)로 모아지게(Collect) 된다. 베이스가 워낙에 얇다보니 이미터의 양공들은 컬렉터로 쉽게 건너갈 수 있다. 

이처럼 베이스에 전류가 흐르면 전체 회로에 전류가 흐르고, 베이스에 전류가 흐르지 않으면 전체 회로에 전류가 흐르지 않는다. 따라서 베이스 전류의 흐름이 스위치 역할을 하는 것이다. 이러한 트랜지스터의 효과를 '스위칭 작용'이라 한다. 그리고 이미터와 베이스 사이에 걸어주는 전압 V1을  '바이어스 전압'이라고 한다.  

p-n-p 트랜지스터에선 회로에 전류가 흐르기 위해서 베이스에 (-)바이어스 전압을 걸어야 하고, n-p-n 트랜지스터에선 반대로 베이스에 (+)바이어스 전압을 걸어야 한다.

 

③트랜지스터의 작동 원리; 증폭

'이미터와 베이스' 사이에 순방향 전압을 걸어주면 이미터(E)에서 방출(Emit)되는 양공이 베이스를 건너 컬렉터(C)로 모아지게(Collect) 된다. 이때 이미터의 양공이 마중물 역할을 하고, 이에 따라 컬렉터에 모아져 있는 양공들이 봇물처럼 쏟아지며 모든 회로에 전류가 흐르게 된다.

 

이때 회로에 흐르는 각 전류의 관계는 다음 그림과 같다.

트랜지스터의 베이스는 매우 얇아서 베이스에 흐르는 전류는 약하다. 이에 비해 컬렉터는 두껍다보니 베이스 전류보다 매우 센 전류가 흐르게 되는데 컬렉터 전류 IC는 베이스 전류 IB에 비례하는 성질이 있어서 다음과 같이 표현할 수 있다.

이때 β 를 '전류 증폭률'이라고 한다. 예를 들어 β =100 이라고 하면, β =IC / IB이므로 베이스 전류가 1A 이면 컬렉터 전류는 100A이지만, 베이스 전류가 2A 이면 컬렉터 전류는 200A가 된다. 베이스 전류가 1A만큼 증가할 때 컬렉터 전류는 무려 100A나 증가한다. 이처럼 베이스의 작은 전류 변화가 컬렉터에는 큰 변화로 나타나는 것을 '증폭 작용'이라고 한다.

 

n-p-n 트랜지스터에서도 원리는 똑같다. 단지 이미터의 전자가 마중물 역할을 하고, 컬렉터의 전자가 봇물처럼 쏟아지는 차이일 뿐이다.

기출문제 풀어보기

21년도 6월 모평 물리2 6번

답: 3번

 

22년도 수능 물리2 13번

답: 3번