아마추어를 벗어나기 위한 아날로그 회로집(2)-다이오드와 트랜지스터

아마추어를 벗어나기 위한 아날로그 회로집(Ⅰ)-다이오드와 트랜지스터

 

전류는 능숙하게 ON/OFF!
기본 중의 기본! 다이오드와 트랜지스터 

에코 시대 도래로 다시 주목받고 있는 다이오드 전류의 방향을 한 방향으로 정리해 준다

다이오드는 일렉트로닉스에서 빼놓을 수 없는 중요한 부품(반도체)이다(사진 1). 이 다이오드에 대해 해설한다.



1. 기초 지식
(1) ‌다이오드의 기본 특성 … 전류의 방향을 한 방향으로 정리한다
다이오드의 동작은 그림 1과 같이 일방통행으로 예를 들 수 있다. 통행하는 물건은 사람이 아니라 전류이다. 즉, 다이오드의 전류는 한 방향으로밖에 흐르지 않는다. 때문에 그림 2와 같이 다이오드의 기호는 전류가 흐르는 방향을 나타내기 위해 화살표 형태로 되어 있다.

단자에도 이름이 붙어 있는데 각각 애노드(Anode), 캐소드(Cathode)라고 한다. 전류가 흐르는 것은 애노드에서 캐소드이며, 캐소드에서 애노드 방향으로는 전류가 흐르지 않는다. 전자회로는 이 한 방향으로만 전류가 흐르는 성질(정류 작용)을 적극적으로 이용하고 있다.
(2) 어디에 사용되는가
일방통행 전류를 만드는 ‘다이오드’에는 어떤 용도가 있을까. 매우 일반적인 것은 AC에서 DC로의 변환이다[그림 3(a)]. 그림 3(a)에 나타난 것은 전파 정류 회로(Full Wave Rectifier)이다. 이 회로의 동작을 생각해 보자. 전파 정류 회로에는 보통 커패시터 C₁을 실장하지만, 설명의 편의를 위해 여기서는 제외하고 생각한다.

우선, AC의 극성이 그림 3(b)와 같은 경우이다. 이 때 전류는 AC 전원에서 D₁ → R_L → D₂로 흐르며 다시 AC 전원으로 돌아간다. 이 사이클에서 D₃, D₄는 전류가 흐르는 방향과 반대 방향으로 전압이 걸리므로 OFF되어 있다. AC의 다음 사이클에서 극성이 그림 3(c)로 변한다. 그러면 전류는 AC 전원에서 D₃ → R_L→ D₂를 통해 AC 전원으로 돌아간다. D₁, D₂는 이 사이클에서 전류가 흐르는 방향과는 반대 방향으로 전압이 걸리므로 OFF되어 있다.

그 결과, 부하저항 R_L 양끝에는 사인파의 절대값과 같은 전압 파형이 발생한다. 이 전압을 맥류(Pulsating Current)라고 한다. 이번에는 DC를 얻는 것이 목적이므로 커패시터 C₁을 접속하고 맥류를 원활하게 하여 DC에 근접시켰다.
① ‌교과서에도 나와 있는 정류 회로 … AC100V 입력에는 반드시 들어 있다
일반적인 AC100V 입력의 TV나 냉장고, 쿨러, PC, 스마트폰 충전용 AC 어댑터와 같은 전자 기기에는 이 전파 정류 회로가 반드시 사용된다. 흥미가 있다면 사용하지 않는 전자기기를 분해하여 조사해 보는 것은 어떨까.
(3) 다양한 다이오드
① 가장 눈에 많이 띄는 친근한 다이오드, LED
가장 친근한 다이오드는 전류가 흐를 때 빛이 나오는 LED(Light Emitting Diode)이다. 휴대전화, 스마트폰, 태블릿 단말기, TV 등 액정 표시를 뒤에서 비추는 광원으로 많이 사용되고 있다. 이제는 조명에도 LED가 사용되기 시작했으며, 최근에는 교차로 신호도 LED로 바뀌고 있다.
② 쇼트키 배리어/제너/가변 용량 … 용도도 다양하다
다이오드의 종류는 앞서 든 LED를 비롯하여 다양하므로 비교적 많이 사용되고 있는 것을 예로 든다. 반도체적으로 분류하면 다이오드가 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시킨 pn 접합(pn Junction)에 의한 실리콘 다이오드(Silicon Diode), pn 접합 대신 반도체와 몰리브덴 등의 금속을 접합시킨 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky-Barrier Diode)가 있다. 용도로 분류해도 정류 회로의 정류 다이오드, 기준 전압이나 과전압 보호 용도에 이용하는 제너 다이오드(Zener Diode), 전류를 흘리지 않는 방향으로 전압을 걸었을 때 캐소드-애노드 사이에 발생하는 커패시턴스 성분[공핍층 용량(Depletion Capacitance)]을 이용한 가변 용량 다이오드(Varicap Diode) 등 다양하다.

2. 전기 특성
(1) 일방통행의 대가 … 전류가 흘렀을 때의 전압 강하 V_F
다이오드에 전류가 흐를 때 애노드-캐소드 사이에 전압이 약간 발생한다. 이 애노드-캐소드간 전압을 순방향 강하 전압 V_F(Forward Voltage Drop)라고 한다.
순방향 강하 전압 V_F는 소자에 따라 달라지며 온도, 흐르는 전류에 따라서도 변화한다. 전류와 순방향 전압의 관계는 일반적으로 그림 4와 같이 지수함수 곡선이 된다. 순방향 강하 전압 V_F의 대략적인 기준은 다음과 같다.

· 실리콘 다이오드 : 약 0.5V 이상
· 쇼트키 배리어 다이오드 : 0.3V 이상
· LED : 1.6V 정도 이상
그림 1의 단차는 이 순방향 강하 전압 V_F를 나타낸다.
(2) 흐르는 전류의 상한값 … 실효 순전류 I_F(RMS)
다이오드에 흐르는 전류는 무한대로 되는 것이 아니라 상한값이 있다. 이 상한값에는 다음과 같은 3가지가 있다.
‌· 연속해서 전류를 흘릴 수 있는 실효 순전류 IF(RMS)(RMS Forward Current)

‌· 전파 정류 회로의 출력 전류에 해당하는 평균 순전류 I_O(Average Rectified Output Current)

‌· 상용 주파수에서 1사이클만 흘릴 수 있는 최대 전류를 나타내는 서지 순전류 I_F(RMS)(Surge Forward Current)

일반 용도에서는 실효 순전류 I_F(RMS)를 사용하여 설계하자. 정류 회로에 한해서, 평균 순전류 I_O는 연속적으로 흐르는 출력 전류, 서지 순전류 I_F(RMS)는 상용 전원이 ON됐을 때에만 흐르는 전류(돌입 전류, Inrush Current)에 적용한다.
(3) ‌전류가 흐르지 않는 방향으로 걸 수 있는 전압의 상한 … 피크 반복 역전압
다이오드에 전류가 흐르지 않는 방향으로 전압이 걸린 경우 전압은 애노드-캐소드 사이에 가해진다. 캐소드가 ＋이고 애노드가 － 극성이다. 다이오드는 전류가 흐르지 않는 방향으로 전압을 가해도 흐르지 않는 것은 아니며, 다음과 같은 2가지 상한값이 있다.
‌· 반복 인가할 수 있는 전압 피크 반복 역전압 V_rrm (Repetitive Peak Reverse Voltage)

· ‌반복하지 않고 인가할 수 있는 전압 서지 반복 역전압 V_RMS(Surge Peak Reverse Voltage) 
일반적으로 전자회로는 같은 동작을 여러 차례 반복하므로 피크 반복 역전압 V_rrm의 값을 사용하여 회로를 설계하자.
(4) ‌일방통행이라고 했지만 실제로는 역방향으로 흐르는 전류가 있다 … 포화 전류와 역회복 전류
다이오드는 한 방향으로만 전류가 흐른다고 했지만 역방향으로 흐르는 경우도 있다. 주로 다음의 3가지이다.
① 포화 전류(Saturation Current)
역방향으로 흐르는 매우 미세한 전류이며 실리콘 다이오드에서 1nA 정도, 쇼트키 배리어 다이오드에서 1㎂ 정도이다. 보통 이 포화 전류는 무시된다.
② 역회복 전류(Reverse Recovery Current)
순방향으로 흐르던 다이오드에 갑자기 역방향 전압이 걸린 경우 순간적으로 흐르는 전류이다.
전압 변환 시 역방향으로 흘러 버린 모습이 그림 5이다. 쇼트키 배리어 다이오드의 역회복 전류가 얼마나 적은지 알 수 있다. 이와 같이 고속이라고 하는 다이오드는 역회복 전류가 작다는 것과 같은 의미라고 생각해도 좋을 것이다.
③ 제너 다이오드의 역방향 전류
제너 다이오드에 역방향 전류를 흘리면 캐소드-애노드 사이에서 안정적인 전압을 얻을 수 있어 기준 전압으로도 사용된다. 제너 다이오드를 기준 전압으로 사용하려면, 우선 5.0V 정도의 제너 다이오드를 선택하고 10mA 이상의 전류를 흘려 정전류로 구동하면 매우 안정적인 전압원이 된다.



‌바이폴러 트랜지스터 & FET
매우 적은 에너지로 움직일 수 있는 전류 볼륨

트랜지스터를 단독으로 사용하는 경우는 적어졌지만 고주파 회로나 인터페이스 회로, 파워 회로 등에는 지금도 사용되고 있다. 즉 IC로는 어려운 높은 주파수, 높은 전압, 큰 전류 용도에서는 역시 트랜지스터가 주인공이다. 여기서는 트랜지스터 회로의 기본에 대해 설명한다. 본격적인 해설은 참고문헌 등을 참고하자.

1. 전류의 양을 조절하고자 할 때 사용한다
트랜지스터를 한마디로 말하면, 그림 6에 나타난 수도꼭지와 같이 동작한다고 할 수 있다. 수도꼭지를 돌리면 돌린 양에 맞춰 물이 나오는 비례 밸브의 이미지이다. 트랜지스터는 수량(전류) 조정 소자라고 생각할 수 있다.

현실의 트랜지스터에서는 수도꼭지 대신 수량 조절용 전류를 흘리거나 전압을 가한다. 수량 조절을 위해 전류나 전압을 가한다고 했는데, 전류를 흘려 동작시키는 타입을 바이폴러 트랜지스터(Bipolar Transistor), 전압을 가해 동작시키는 타입을 FET(Field Effect Transistor)라고 한다.
트랜지스터의 외관은 사진 2와 같다. 현재 시장에서는 리드선이 달린 예전 타입은 사라지고 사진 2의 왼쪽에 있는 표면실장 타입과, 오른쪽에 있는 큰 타입으로 양분되고 있다.

2. 전류를 제어하기 위한 수도꼭지는 전류와 전압 … 트랜지스터와 FET
트랜지스터는 수도꼭지와 같이 꼭지로 수량을 조정하는 소자이다. 꼭지의 차이에 따라 2가지 타입으로 나뉘며, 전류를 흘리는 바이폴러 트랜지스터, 전압을 가하는 FET가 있다.
수도꼭지에 해당하는 단자에는 이름이 붙어 있다. 그림 7과 같이 바이폴러 트랜지스터에서는 베이스(Base), FET에서는 게이트(Gate)라고 한다.

(1) 매우 적은 전류로 제어할 수 있는 쪽이 스마트하다
바이폴러 트랜지스터가 베이스 단자에 전류를 흘려 주요 전류를 제어할 때, 베이스에 흐르는 전류는 소량이어야 더 스마트하다. 매우 적은 전류로 큰 전류를 제어할 수 있다. 작은 에너지로 큰 에너지를 제어할 수 있다는 뜻이다.
수도꼭지의 예를 들면, 꼭지가 가볍게 돌아가 수량을 컨트롤할 수 있는 것이 더 좋다고 생각된다. 그런 의미에서 FET는 게이트에 전압을 가하기만 하면 되므로 전류를 제어하는 에너지는 더 작아도 된다.

3. 회로 기호
그림 8은 트랜지스터의 회로 기호를 나타낸 것이다. 트랜지스터 단자에는 그림 7과 같이 이름이 붙어 있다. 그림 7에서는 갑자기 npn형과 pnp형, n채널형, p채널형이라는 용어가 등장했다. 자세한 내용은 참고문헌(1), (2)를 참조한다. 여기서는, 반도체에는 크게 나누어 n형과 p형의 2종류가 있으며 이것을 조합하여 원하는 특성을 실현한다고 이해하자.



4. 모델명을 붙이는 규칙
표 1과 같이 트랜지스터의 모델명과 반도체 구성 사이에는 규칙이 있다. 현실에서 사용되고 있는 소자는 바이폴러 트랜지스터의 경우 npn형 반도체에 의한 모델명 2SC**가 압도적으로 많으며 다른 것은 소수이다. 오해를 방지하기 위해 2SC**가 있다고 모든 회로를 만들 수 있는 것은 아니라는 점을 말해 둔다. 다른 것은 소수이기는 하지만 확실한 역할을 하고 있다. FET형에서는 n형 반도체 2SK**, 특히 MOSFET의 사용 수량이 많다. 다른 소자도 소수이기는 하지만 회로 구성에는 필요한 소자이다.

(1) 모델명
여기서 저주파, 고주파로 정한 것은 40년 이상 이전의 일이다. 현재의 기술 수준과 큰 격차가 있으므로 모두 참고할 수 있는 것은 아니다. 그래서 그러한 표기에 따르지 않는 모델명, 반도체 메이커 독자적으로 정한 모델명을 가진 바이폴러 트랜지스터나 FET가 생겨나고 있다. 

5. 실제 디바이스의 특성
(1) 바이폴러 트랜지스터
바이폴러 트랜지스터의 기호를 잘 살펴보면 화살표가 있다. 이것은 베이스 단자에 흐르는 전류의 방향을 나타낸다.
자백하자면 바이폴러 트랜지스터는 컬렉터 전류의 방향이 한 방향이다. 이것이 수도꼭지와 다른 점이다. 컬렉터 전류의 방향은 pnp형의 경우 이미터에서 컬렉터로 흐르고, npn형의 경우 컬렉터에서 이미터로 전류가 흐른다. 즉, 그림 9와 같이 베이스 전류의 방향이 2종류 있다. 결과적으로 바이폴러 트랜지스터에서는 다음과 같은 관계가 성립된다.

이미터 전류＝컬렉터 전류＋베이스 전류
npn형과 pnp형의 2종류가 있으면 사용하기 어려울 것 같지만, 양방향으로 흐르는 전류를 다루는 데에는 좋은 점도 있다. 사례를 들어 보자. 인덕터 실험을 했을 때의 회로(그림 10)를 다시 예로 든다. 여기서 사용되고 있는 바이폴러 트랜지스터 Q₁, Q₂는 파워 MOSFET Q₃의 게이트에 대해 ON일 때에는 그림에서 → 방향의 전류, OFF일 때에는 ← 방향의 전류를 흘리고 있다. 

(2) FET
① 게이트에도 아주 소량의 전류가 흐른다
한편 FET에서 게이트 단자는 다른 드레인 단자, 소스 단자와 절연되어 있다. 절연되어 있으므로 DC적으로는 매우 높은 임피던스라고 간주할 수 있다. 때문에 고입력 임피던스 입력에 FET가 사용되는 사례도 흔하다. 예를 들면, TL072나 LF356과 같은 대표적인 FET 입력형 OP 앰프는 전형적이다. 그러나 현실에서는, 매우 적은 양이기는 하지만 게이트에 DC 전류가 흘러 들어간다. 2개의 전극이 절연되어 있다는 것은 내부에서 커패시터 구조로 되어 있다는 뜻이다. 그러므로 AC적으로도 소량의 전류가 흐른다. 고입력 임피던스를 노리고 FET를 의도적으로 회로 입력부에 사용하면 높은 주파수에서 임피던스가 내려갈 가능성이 있다.
② 게이트 전압을 0V로 해도 접합형 FET
그림 11(a)와 같이 게이트 전압 0V에서 전류가 흘러 버려 전류를 멈추기 위해서는 마이너스 전압이 필요하다. 이 부분이 다소 사용하기 어려운 점일 것이다. 이러한 특성을 디플리션형(Depletion Type)이라고 한다.

③ MOSFET
그림 11(b)와 같이 게이트 단자 0V에서 드레인 전류는 0A로 되어 플러스 전압을 가하면 드레인 전류가 흐른다. 이러한 특성을 인헨스먼트형(Enhancement Type)이라고 한다.
드레인-소스간 전류는 양방성이므로 드레인에서 소스, 소스에서 드레인 어느 쪽 방향으로도 전류가 흐른다. 바이폴러 트랜지스터와 같은 방향성은 없다. MOSFET에는 디플리션형도 존재한다. 

6. 2가지 동작 방법 … 리니어 동작과 스위칭 동작
비례 밸브인 트랜지스터의 사용법은 크게 2가지가 있다.
‌· 밸브를 미세하게 변화시켜 수량을 세밀하게 조절 동작한다
‌· 미세 조정 등 상관없다! 밸브를 모두 닫거나 여는 것뿐! 물을 흘리는 상태나 흘리지 않는 상태의 2가지로 동작한다

전자를 리니어 동작, 후자를 스위칭 동작이라고 한다. OP 앰프 등의 리니어 IC 내부 트랜지스터는 리니어 동작, CPU나 FPGA 등 디지털 IC 내부는 스위칭 동작이다. IC를 제외한 디스크리트 부품에서 보면 현재는 스위칭 동작이 많다고 인식되고 있다.
(1) 회로 예
트랜지스터는 베이스 전류나 게이트 전압을 아주 조금 변화시킬 경우 리니어 동작한다. 이에 대해 스위칭 동작은 밸브를 모두 열거나 닫는 것뿐이므로, 베이스 전류는 모두 열었을 때 컬렉터에 흐르는 전류의 1/10 정도로 많이 흐르며, 모두 닫았을 때에는 전혀 흐르지 않는다.
FET에서도 마찬가지로 전압을 미묘하게 바꾸는 것이 아니며, 게이트 전압은 0V에서 10V 정도까지 크게 변화한다. 그림 12는 리니어 동작 회로의 예를 나타낸 것이다.

(2) ‌트랜지스터의 스위칭 회로는 인터페이스 회로에도 응용된다
그림 13에 스위칭 회로의 예를 든다. 소신호 트랜지스터를 스위칭시키는 회로는 CPU, FPGA와 같은 디지털 디바이스와 릴레이 포토커플러, 트랜스 등의 인터페이스 회로에 사용되는 경우가 많다.

그림 13의 회로에서 R₃＝1.2kΩ으로 하고, 입력은 TTL 레벨에서 클록 주파수를 변화시켜 실험해 보았다. 클록 주파수가 10kHz[사진 3(a)]에서는 확실하게 동작했지만, 100kHz [사진 3(b)]에서는 약간 이상해졌고, 1MHz[사진 3(c)]가 되니 매우 심해졌다. 그래서 커패시터 C₁＝100pF을 부가했다. 그랬더니 1MHz에서도 느낌이 좋았다[사진 4(a)]. 당연히 100kHz[사진 4(b)]에서도 개선된 것이 보였다. 그러나 R₃＝10kΩ으로 하면 1MHz[사진 4(c)]에서는 펄스라고는 하기 어려운 파형이 된다.

‌트랜지스터에는 사용할 수 있는 범위가 있다
가해도 되는 전압이나 전류의 상한 ‘절대 최대 정격’에서 밸브 경도 ‘h_fe’까지

1. 아주 적은 전류로 대전류까지 제어한다 … 밸브의 경도를 나타내는 h_fe
바이폴러 트랜지스터의 중요 파라미터 h_fe(전류증폭률)에 대해 설명한다. 수량을 조절하는 밸브이지만 큰 힘으로 돌리지 않으면 돌아가지 않으므로 불편하다. 작은 힘으로 돌려 큰 수량을 컨트롤할 수 있는 것이 밸브의 바람직한 특성이다.
마찬가지로 바이폴러 트랜지스터에서는 밸브에 해당하는 베이스 단자 전류가 작고 그것으로 큰 컬렉터 전류를 컨트롤할 수 있으면 사용하기 편한 소자라고 할 수 있다. 그래서 베이스 전류를 I_B, 컬렉터 전류를 I_C로 하여 중요한 파라미터 h_fe(에이치에프이라고 한다)가 식 (1)과 같이 정의되어 있다.

h_fe＝I_C/I_B  (1)

현실의 트랜지스터에서 h_fe는 대부분 100에서 400 정도이다. 또한, h_fe의 크기에 따라 등급을 나누는 트랜지스터도 있다. FET에서 h_fe에 해당하는 파라미터는 상호 컨덕턴스(Trans-conductance)이다. 기호는 g_m또는 y_s이다. 그러나 별로 사용되지 않으므로 여기서는 생략한다.

2. 이 이상의 전압을 가하면 파괴된다 … 전압 파괴 한계 V_CEO, V_DSS
수도꼭지를 닫았을 때에는 수압으로 인해 밸브에 압력이 가해진다. 물을 집 2층에서 사용할 수 있도록 수도국 송수소의 펌프가 강하게 압력을 가하고 있으므로 수도꼭지를 틀면 힘차게 물이 나온다. 하지만 고층 아파트의 맨 위층까지 물을 끌어올릴 수 있는 수압은 없다. 만약 수도국의 송수 펌프로 고층 아파트의 맨 위층까지 물을 끌어올리려고 하면 매우 큰 수압을 만들 펌프가 필요하며, 그러한 수압이 실현되면 수도꼭지 밸브가 수압으로 파괴될지도 모른다.
그렇다면 트랜지스터에서 생각해 보자. 바이폴러 트랜지스터인 경우 컬렉터-이미터 사이, FET라면 드레인-소스 사이의 전압도 무한대는 아니다.
소자가 파괴되는 상한값의 전압, 전류는 절대 최대 정격(Absolute Maximum Rating)에 따라 결정된다. 표 2는 최대 정격의 예이다. 상한 전압은 데이터시트에 기호로 V_CEO, V_DSS라고 써 있다. 이러한 전압의 최대 정격을 일반적으로 내압이라고 한다. 이 주변 사정은 커패시터와 같을 것이다.

내압이 큰 트랜지스터는 밸브가 튼튼하게 되어 있다. 그만큼 고주파 특성이나 스위칭 특성이 다소 나빠진다.
실제 회로 설계에서는 최대 정격의 70% 이하 전압에서 움직인다. 바꿔 말하면 동작 전압이 최대 정격의 70% 이하인 전압으로 되도록 트랜지스터를 선정한다.

3. 이 이상 흘리면 파괴된다 … 전류 파괴 한계 I_C, I_D(DC)
이번에는 트랜지스터에 흘릴 수 있는 전류에 대해 해설한다. 수도꼭지의 경우, 구경에 따라 수량이 제한되어 문제되지 않는다. 하지만 트랜지스터의 스위칭 동작에서 컬렉터나 드레인에 흐르는 전류를 제한하는 것은 외부 회로의 요인이 된다. 트랜지스터에 흘려도 되는 전류의 상한은 표 3과 같이 정해져 있다. 이것이 최대 정격의 컬렉터 전류 I_C(바이폴러 트랜지스터)나 드레인 전류 I_D(DC)(FET)로 기록되어 있는 값이다. 트랜지스터는 최대 정격의 30%를 넘지 않는 전류에서 사용한다. 바꿔 말하면 동작 전류가 최대 정격의 30% 이하로 되도록 트랜지스터를 선정한다.

(1) FET 드레인 전류의 최대 정격은 2종류가 정해져 있다
FET에는 드레인 전류의 최대 정격이 2종류 있다. 그것은 전술한 I_D(DC)와 I_D(Pulse)이다. 드레인 전류 I_D(pulse)는, 1회뿐이라면 여기까지 허용한다는 의미의 값이다. 게다가 전류가 흐르는 시간에 제약이 있다. 첫 번째 죄는 너그럽게 보는 관대한 마음을 가진 트랜지스터이다. 두 번째도 허용되지만 시간차를 두도록 하자. 더 엄밀하게 말하자면, FET 내부의 열이 식을 경우 I_D(Pulse)까지 전류를 흘릴 수 있다. 회로를 설계할 때에는 연속적으로 반복해서 사용하는 것을 상정하고 드레인 전류 I_D(dc)의 값을 사용하는 것이 기본이다.

4. 특히 리니어 동작 시 파괴되지 않도록 … 컬렉터 손실 P_C, 드레인 손실 P_D
최대 정격 이야기를 계속한다. 리니어 동작은 주의해야 할 파라미터가 하나 더 있다. 그것은 컬렉터 손실 P_C(바이폴러 트랜지스터)와 드레인 손실 P_D(FET)이다. 이것은 컬렉터 전류(FET라면 드레인 전류)와 컬렉터 전압(FET라면 드레인 전압)의 곱의 상한값을 나타낸다.
(1) ‌‌파워 회로에서 리니어 동작시키는 트랜지스터에는 MOSFET을 권장한다
단, 바이폴러 트랜지스터에는 컬렉터 손실 P_C의 안전한 동작 영역(Area of Safe Operation)이 좁아지는 2차 브레이크다운(Second Breakdown)이라는 귀찮은 특성이 있다.
그래서 리니어 동작으로 파워를 다루는 용도에서는 바이폴러 트랜지스터를 사용하는 것이 좋다고 생각한다. 이렇게 하면 2차 브레이크다운이라는 난제를 다루지 않아도 된다. 그래도 바이폴러 트랜지스터를 사용하겠다는 사람은 2차 브레이크다운을 이해한 후 바이폴러 트랜지스터를 리니어 동작에 사용하도록 하자. 

고주파 & 파워 용도에서 새로운 구조 및 소재의 트랜지스터가 개발되고 있는 이유

고주파나 DC-DC 컨버터 등의 용도에서는 전파를 재빨리 전환할 수 있는 특성이 필요하며, 그렇게 하기 위해서는 밸브를 빨리 움직여야 한다. 밸브가 크고 무거우면 빨리 움직이기 어렵다. 특히 현대의 반도체 기술은 고성능화＝고속화라고도 할 수 있으므로 밸브를 빨리 움직이도록 개발하고 있다고 생각해도 좋을 것이다.
밸브를 빨리 움직이려면 소형·경량화가 필요하다. 하지만 밸브를 소형화하면 그만큼 약해진다. 이로 인해 고주파 특성이나 스위칭 특성이 좋은 소자는 내압이 높지 않은 경향을 갖고 있었다. 때문에 반도체 내부에 HBT(Heterojunction Biploar Transistor), HEMT(High Electron Mobility Transistor)라고 하는 구조를 사용하거나 반도체 재료에 순수한 실리콘이 아니라 GaAs/GaN/SiGe와 같은 재료를 사용하는 연구가 계속해서 진행되고 있다.
최신 고주파 트랜지스터는 100GHz 이상에서 동작하며, 스위칭 트랜지스터는 5ns 이하에서 스위칭한다.

本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?idx=14186