PNP · NPN 트랜지스터 개념 이해하기

- 트랜지스터란 무엇인가?

 

트랜지스터는 전자공학 분야에서 가장 기본적인 부품 중 하나로, 전류나 전압의 흐름을 제어하는 스위칭 및 증폭 기능을 수행한다.

 

트랜지스터의 기본 기능

 

1947년 벨 연구소의 미국 물리학자이자 반도체의 아버지로 불리는 윌리엄 브래드퍼드 쇼클리(William Bradford Shockley), 월터 하우저 브래튼(Walter Houser Brattain), 존 바딘(John Bardeen)에 의해 개발되었으며 현대 전자공학의 발전에 큰 역할을 했다.

 

트랜지스터는 세 개의 주요 구성 요소로 이루어져 있다. 베이스(Base), 콜렉터(Collector), 이미터(Emitter)라고 불리며 각각 p형 반도체와 n형 반도체로 만들어진다. 이들은 서로 접촉하여 전기 신호를 전달하고 처리한다.

 

트랜지스터의 스위칭 동작 원리는 다음과 같다. 트랜지스터의 베이스에 전압(약 0.7V 이상)이 인가되어 미세 전류가 흐르게 되면 트랜지스터가 ON되어 콜렉터와 이미터 사이에 전류가 흐르게 된다.

 

반대로 베이스에 인가되는 전압이 낮은(약 0.7V 이하) 경우, 콜렉터와 이미터 사이는 OFF 상태가 되어 전류가 흐르지 않는다. 즉, 스위치처럼 전류를 흐르거나 차단할 수 있다.

 

트랜지스터의 스위칭 ON 이미지

 

또한, 트랜지스터는 입력 신호를 증폭할 수도 있다. 트랜지스터에는 3개의 단자가 있다. 각각 베이스, 콜렉터, 이미터라고 하며 트랜지스터의 동작을 수도 장치에 비유해 보면, 베이스는 수전, 이미터는 수도꼭지, 콜렉터는 물탱크라고 비유할 수 있을 것이다.

 

수전을 작은 힘(베이스로의 입력 신호)으로 컨트롤함으로써, 물탱크(콜렉터)에서 수도꼭지(이미터)로 대량의 물이 흐른다고 생각하면 이해가 쉬울 것이다.

 

트랜지스터의 증폭 원리

 

그림 ①과 그림 ②를 사용하여 조금 더 자세하게 트랜지스터의 증폭 원리에 대해 설명해보면, 입력 전압(e)와 바이어스 전압(E1)에서 생성되는 베이스-이미터 전압(VBE)에 비례한 전류(IB)의 hfe^[각주:1]배의 전류(IC)가 콜렉터에 흐르게 된다.

 

이 콜렉터 전류 IC가 저항 RL에 흐름으로써, IC×RL의 전압이 저항 RL의 양끝에 나타난다. 결국 입력 전압 e가 ICRL이라는 전압으로 변환(증폭)되어 출력에 나타나게 된다.

 

간단하게 말해, 베이스 전류를 조절하여 콜렉터 전류를 증폭시킴으로써 작은 신호를 큰 신호로 변환할 수 있다는 것이다.

트랜지스터는 다양한 종류가 있으며, 각각의 용도와 특성에 따라 선택된다. 일반적으로 바이폴라 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)와 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)로 분류된다.

 

바이폴라 트랜지스터는 고속 스위칭과 높은 전류 구동 능력이 필요한 응용 분야에 사용되며, 전계효과 트랜지스터는 저전력 소비와 고주파 특성이 필요한 분야에 주로 사용된다.

 

- PNP · NPN 트랜지스터

 

트랜지스터는 크게 PNP(싱크 타입)형과 NPN(소스 타입)형의 2종류로 분류할 수 있다. PNP와 NPN은 그 구조와 동작 원리에서 차이가 있다.

 

입력 신호에 따라 스위칭하고자 하는 경우, NPN형을 통한 이미터 접지. 전원측에서 제어하고자 하는 경우, PNP형을 사용하는 것이 일반적이다.

 

NPN형의 캐리어가 전자(⊝ 전하)인 반면, PNP형의 캐리어는 정공(⊕ 전하)이다. PNP형은 이미터를 정전압, 베이스를 부전압이 되도록 전압을 인가하여, 이미터의 정공(⊕ 전하)을 베이스로 흐르게 한다.

 

이때 이미터의 정공 중 일부가 베이스의 전자(⊝ 전하)와 결합하여 미세한 베이스 전류가 되고, 나머지는 콜렉터로 빠져나가 콜렉터 전류가 된다.

 

NPN형(왼쪽)과 PNP형(오른쪽) 트랜지스터

 

- PNP형 트랜지스터 : PNP 트랜지스터는 두 개의 p형 반도체와 하나의 n형 반도체로 구성된다. 베이스는 p형 반도체, 콜렉터는 또 다른 p형 반도체, 그리고 이미터는 n형 반도체이다.

 

이때 베이스와 이미터는 서로 반대 전하를 띠고 있어 순방향 바이어스가 형성되면 전류가 흐르고, 역방향 바이어스가 형성되면 전류가 흐르지 않는다.

- NPN형 트랜지스터 : NPN 트랜지스터는 두 개의 n형 반도체와 하나의 p형 반도체로 구성되어 있다. 베이스는 p형 반도체, 콜렉터는 n형 반도체, 이미터 역시 n형 반도체이다.

 

PNP 트랜지스터와 마찬가지로 베이스와 이미터는 서로 반대 전하를 띠고 있으므로 순방향 바이어스에서는 전류가 흐르고 역방향 바이어스에서는 전류가 흐르지 않는다.

 

PNP형 트랜지스터(왼쪽)와 NPN형 트랜지스터(오른쪽)

실제 회로 설계에서는 PNP와 NPN 트랜지스터를 모두 사용하며, 각각의 특성과 용도에 맞게 선택해야 한다. 둘 다 스위칭 및 증폭 기능을 수행할 수 있지만, 구조와 동작 원리가 다르기 때문에 특성에서도 차이가 있다. 이러한 차이점을 이해하고 적절한 트랜지스터를 선택하는 것이 중요하다.

 

- PNP · NPN 결선 방법

 

결선 방법은 회로의 동작에 큰 영향을 미치므로 주의해야 한다.

 

- PNP 트랜지스터의 결선 방법 : 컬렉터(C)를 연결할 때는 양극(⊕, P상), 이미터(E)를 연결할 때는 음극(⊝, N상), 베이스(B)를 연결할 때는 중간 단자에 연결한다.

 

전원 공급 장치의 양극이 컬렉터에 연결되고, 음극이 이미터에 연결되며, 베이스는 별도의 전선으로 제어 신호에 연결된다.

 

- NPN 트랜지스터의 결선 방법 : PNP와는 반대로 컬렉터(C)를 음극(⊝, N상), 이미터(E)를 양극(⊕, P상), 베이스(B)를 중간 단자에 연결한다.

 

전원 공급 장치의 음극이 컬렉터에 연결되고, 양극이 이미터에 연결되며, 베이스는 제어 신호에 연결된다.

 

회로를 설계할 때는 항상 트랜지스터의 종류와 결선 방법을 고려해야 한다. 잘못된 결선은 트랜지스터의 손상을 초래하거나 회로의 오작동을 일으킬 수 있다.

 

PNP 타입 스위치(왼쪽)와 NPN 타입 스위치(오른쪽) (출처.네이버 폭풍Q로그)

 

좀 더 쉽게 표현해보면, PNP는 부하가 음극(⊝, N상)에 연결되어 Positive 입력 신호를 ON/OFF하는 타입, NPN은 부하가 양극(⊕, P상)에 연결되어 Negative 입력 신호를 ON/OFF하는 타입으로 설명할 수 있다.

 

PNP 센서(싱크 타입)의 결선 : 입력 신호를 받는 PLC의 COM을 음극(⊝, N상)으로 연결해 외부 전원(⊕, P상)을 센서를 통해 받게 된다.

 

NPN 센서(소스 타입)의 결선 : 입력 신호를 받는 PLC의 COM을 양극(⊕, P상)으로 연결해 PLC에서 내보내는 전류를 센서(⊝, N상) 에서 받게 된다.

 

위에서 얘기한 PNP · NPN 스위치를 트랜지스터의 위치로 표시하면 아래와 같다.

 

1. hfe : 트랜지스터의 직류 전류 증폭률 [본문으로]