트랜지스터 기본 사항: 2N3904, 2N3906, 2N2222, 2N2907을 사용하는 NPN 및 PNP

작성자: John LeDuc

Digi-Key Electronics 제공

놀랍게도 최초의 작동 트랜지스터는 70년 전인 1947년 12월 23일에 선언되었습니다.1 트랜지스터는 지금까지 발명된 가장 혁신적인 부품 중 하나일 것입니다. 트랜지스터는 집적 회로, 마이크로 프로세서 및 컴퓨터 메모리를 만들 수 있는 길을 열었습니다.

이 기사에서는 다음과 같은 내용을 다룰 것입니다.

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트랜지스터란?

양극 접합 트랜지스터(BJT)라고도 하는 트랜지스터는 베이스 리드에 흐르는 소량의 전류로 콜렉터와 방출기 사이의 더 큰 전류를 제어하는 방식으로 전류의 흐름을 제어하는 데 사용할 수 있는 전류 구동 반도체 소자입니다. 발진기 또는 스위치처럼 트랜지스터는 약한 신호를 증폭할 수 있습니다.

트랜지스터는 일반적으로 실리콘 수정으로 구성되며 여기서 N형 및 P형 반도체 층이 함께 삽입됩니다. 아래의 그림 1을 참조하십시오.

2N3904 TO-92 투시 모형 및 N형 및 P형 층 슬라이스 이미지

그림 1: 그림 1a는 2N3904 TO-92 투시 모형을 보여줍니다(E - 방출기, B - 베이스, C 실리콘에 연결된 콜렉터 리드). 그림 1b는 1958년 5월호 Radio-Electronics Magazine2에서 발췌했으며 N형 및 P형 층 슬라이스와 배열(당시에는 게르마늄 소재로 참조됨)을 보여줍니다.

트랜지스터는 밀폐 봉인되었으며 세 개의 리드를 갖춘 플라스틱 또는 금속 캔에 매입되었습니다(그림 2).

크기 비교 및 널리 사용되는 다양한 패키지 형태를 보여주는 이미지

그림 2: 크기 비교 및 널리 사용되는 다양한 패키지 형태

트랜지스터 작동 방식

예를 들어, NPN 트랜지스터의 작동 방식을 설명해 보겠습니다. 밸브로 제어되는 튜브를 통해 흐르는 물을 생각하면 가장 간단하게 스위치 기능을 확인할 수 있습니다. 수압은 '전압'을 나타내고 튜브를 통해 흐르는 물은 '전류'를 나타냅니다(그림 3). 큰 튜브는 베이스를 나타내는 작은 튜브의 전류에 의해 작동되는 밸브(그림의 움직이는 덮개와 같은 회색 타원)가 있는 콜렉터/방출기 접합을 나타냅니다. 밸브는 수압이 콜렉터에서 방출기로 전달되지 않도록 합니다. 물이 작은 튜브(베이스)를 통해 흐르면 콜렉터/방출기 접합 사이의 밸브가 열려서 물이 방출기를 통과하여 접지(모든 물 또는 전압/전류의 귀환을 나타냄)로 흘러갑니다.

트랜지스터의 작동 방식을 보여주는 구성도

그림 3: 그래픽 표현은 트랜지스터의 작동 방식을 보여줍니다. 물이 작은 튜브(베이스)를 통해 흐르면 콜렉터/방출기 접합 사이의 밸브가 열려서 물이 방출기를 통과하여 땅으로 흘러갑니다.

응용 제품에 적합한 트랜지스터 선택

부하 시 회로 또는 스위치를 쉽게 켤 수 있으려면 특정 사항을 고려해야 합니다. 양전류 또는 음전류(각각 NPN 또는 PNP 유형)로 트랜지스터 스위치에 바이어스를 가할지 또는 동력을 공급할지를 결정합니다. NPN 트랜지스터는 베이스에서 바이어스된 양전류에 의해 구동(또는 켜짐)되어서 콜렉터에서 방출기로 흐르는 전류를 제어합니다. PNP 유형 트랜지스터는 베이스에서 바이어스된 음전류에 의해 구동되어 방출기에서 콜렉터로 흐르는 전류를 제어합니다. PNP의 극성은 NPN의 반대입니다. 자세한 내용은 아래 그림 4를 참조하십시오.

각 트랜지스터 유형의 회로도 기호를 보여주는 구성도

그림 4: 각 트랜지스터 유형의 회로도 기호

바이어스 전압을 결정한 이후에 필요한 다음 변수는 부하를 작동하는 데 필요한 전압 및 전류의 크기입니다. 이는 트랜지스터의 최소 전압 및 전류 정격입니다. 아래 표 1 및 2에서는 널리 사용되는 트랜지스터와 해당 전압 및 전류 제한을 포함한 주요 사양을 보여줍니다.

트랜지스터, NPN 및 PNP, 리드형, 표면 실장트랜지스터, NPN 및 PNP, 리드형, 표면 실장

부품 번호 유형 최대 콜렉터/방출기 전압(Vce) 최대 콜렉터 전류(Ic) mA 최소 DC 전류 이득(hFE) @ Ic, Vce 최대 전력 mW 여러 제조업체의 2N/MMBT 계열 링크**
To-92 리드형 SOT-23 표면 실장
2N3904 MMBT3904 NPN 40 200 100 @ 10mA, 1V 625/350* 3904
2N4401 MMBT4401 NPN 40 600 100 @ 150mA, 1V 625/350* 4401
2N5089 MMBT5089 NPN 25 50 400 @ 100μA, 5V 625/350* 5089
2N3906 MMBT3906 PNP 40 200 100 @ 10mA, 2V 625/350* 3906
2N4403 MMBT4403 PNP 40 600 100 @ 150mA, 1V 625/350* 4403
2N5087 MMBT5087 PNP 50 50 250 @ 100μA, 5V 625/350* 5087
*SOT-23 패키지에 해당
**사양은 다를 수 있으므로 규격서에서 세부사항을 확인하십시오.

표 1. 널리 사용되는 리드형 및 표면 실장 NPN 및 PNP 트랜지스터

트랜지스터, NPN 및 PNP, 금속 캔 패키지트랜지스터, NPN 및 PNP, 금속 캔 패키지

부품 번호 유형 최대 콜렉터/방출기 전압(Vce) 최대 콜렉터 전류(Ic) mA 최소 DC 전류 이득(hFE) @ Ic, Vce 최대 전력 mW 여러 제조업체의 2N 계열 링크**
TO-18 TO-39
-- 2N2219A NPN 40 800 100 @ 150mA, 10V 800 2219A
2N2222A -- NPN 40 800 100 @ 150mA, 10V 500 2222
-- 2N2905A PNP 60 600 100 @ 150mA, 10V 600 2905
2N2907A -- PNP 60 600 100 @ 150mA, 10V 400 2907A
**사양은 다를 수 있으므로 규격서에서 세부사항을 확인하십시오.

표 2. 널리 사용되는 금속 캔 패키지 NPN 및 PNP 트랜지스터

트랜지스터 회로 예

아래 그림 5에서는 슬라이드 스위치를 통해 베이스에 5V를 공급하여 베이스에 동력을 제공하거나 트랜지스터에 바이어스를 가하여 켜서 콜렉터-방출기 접합을 켜는 회로 예를 보여줍니다. 이 예에서는 부하에 해당하는 LED를 켭니다. 베이스에 바이어스를 가할 경우 저항기를 적절히 사용하여 과전류 유입을 방지해야 합니다. 브레드 기판에서 리드형 부품을 사용하여 예제 회로를 테스트했습니다. 대부분의 엔지니어는 시장에 출시할 신제품 설계에 트랜지스터를 사용할 경우 표면 실장 부품(TO-92 패키지보다 훨씬 작은 크기)을 사용합니다. 다음은 3904 트랜지스터에 대한 다양한 패키지 크기를 보여주는 링크입니다.

2N3904는 NPN 트랜지스터이므로 적절한 전류 흐름을 위해 콜렉터/방출기 접합을 켜려면 베이스에 양의 바이어스(적절한 전압 수준 및 저항)를 가해야 합니다. 또한 LED 및 트랜지스터를 통해 구동 중인 전류가 너무 높지 않도록 부하 저항기(R1)를 사용해야 합니다. 이 트랜지스터에 대한 자세한 내용은 2N3904 규격서를 참조하십시오.

EG1218 슬라이드 스위치로 LED를 켜는 2N3904 회로 예를 보여주는 구성도

그림 5: EG1218 슬라이드 스위치로 LED를 켜는 2N3904 회로 예를 보여줍니다(C-콜렉터, E-방출기, B-베이스). 이 이미지는 Scheme-it을 사용하여 작성되었습니다.

그림 6은 PNP 트랜지스터를 사용하는 야간등 회로의 예입니다. 이 회로에 대한 자세한 내용을 보려면 Digi-Key의 엔지니어링 wiki 사이트에 접속하여 PNP 야간등을 검색하십시오.

PDV-P5003 광전지로 LED를 켜는 2N3906 야간등 회로의 예를 보여주는 구성도

그림 6: PDV-P5003 광전지로 LED를 켜는 2N3906 야간등 회로의 예. 이 이미지는 Scheme-it을 사용하여 작성되었습니다.

트랜지스터 발명에 관한 간략한 역사

트랜지스터는 어떻게 시작되었을까요? 트랜지스터는 꽤 복잡한 역사를 가지고 있으므로 전화기의 발명부터 살펴보겠습니다. 전기 시제품을 처음으로 발명한 사람에 대해서는 다양한 설이 있지만 Alexander Graham Bell이 1876년 3월 7일에3 처음으로 특허를 취득했고 나중에 AT&T(American Telephone and Telegraph) 회사를 설립했습니다. Bell의 특허는 18941년 경에 만료되었습니다. AT&T가 1900년대 초까지 전화기 시장을 주도했지만 다른 기업들이 설립되면서 AT&T의 고객을 뺏기게 되었습니다. 이러한 이유로 AT&T는 시장을 계속해서 지배하고 확대해 나갈 필요성을 느꼈습니다. 1909년에 AT&T 회장 Theodore Vail1은 대륙을 횡단(뉴욕에서 캘리포니아까지)하여 전화 통화가 가능하기를 원했습니다. 하지만 그렇게 하려면 장거리를 이동하는 신호를 높일 수 있는 우수한 증폭기 또는 리피터가 필요했습니다. 1906년에 Lee De Forest는 John A. Fleming(Thomas Edison의 작품에 착안하여 무선 전파를 감지하는 데 사용되는 '진동 밸브'라는 진공 튜브 소자 개발)의 아이디어를 수정하여 증폭기로 사용할 수 있는 비효율적인 3단자 진공 튜브인 3극 진공관을 만들었습니다. 1912년에 Forest는 Western Electric Company(AT&T의 제조업체)의 Harold Arnold의 초대를 받아 자신의 발명품을 공개했습니다. Forest의 3극 진공관은 낮은 전압에서 작동했지만 Arnold는 음성을 장거리로 송신하는 데 효율적인 리피터를 만들기 위해 더 높은 전압에서 작동하는 3극 진공관이 필요했습니다. Arnold는 3극 진공관을 개선할 수 있다고 믿고 소자의 작동 방식과 개선 방법을 이해하기 위해 과학자들을 고용했습니다. 1913년 10월, 그는 성공을 거두었습니다. 그후, 얼마되지 않아 여기저기에 전화선이 설치되었습니다. AT&T가 수년 동안 유능한 과학자들을 고용하는 데 들인 투자가 심층 연구로 이어져서 경쟁 우위를 확보할 수 있게 되었으며 1925년에는 'Bell Telephone Laboratories'를 설립했습니다.

전화선을 사용하는 데 수천 개의 진공 튜브와 계전기가 필요했습니다. 하지만 진공 튜브는 크기가 크고 많은 전력을 사용하며 화재가 자주 발생했습니다. 2차 세계대전 당시 레이더를 활성화하는 데 사용하는 수정 정류기 기술 개발에 착안하여 Bell의 연구 이사인 Mervin Kelly는 반도체(SSD)가 비싸고 불안정한 진공 튜브를 대체하는 소자를 만들기 위한 답안이 될 수 있음을 짐작했습니다. Kelly는 유능한 물리학자인 William Shockley를 찾아가서 유선을 통해 음성을 송신하는 데 사용되는 부품을 개선하고자 하는 비전을 설명했습니다. Kelly는 시끄러운 기계식 계전기와 전력 소비가 큰 진공 튜브가 조만간 전자 반도체로 대체된다면 얼마나 좋을지에 대해 설명했습니다. Shockley는 이러한 아이디어에 매료되어 이를 주요 목표로 삼게 되었습니다. Kelly는 Shockley에게 구현 방법을 찾는 책임을 맡겼습니다.

Shockley는 유능한 이론가였지만 아이디어를 실현하는 데에는 능통하지 않았습니다. Shockley는 반도체 위에 놓인 판에 동력을 가하여 전계 효과로 전자를 이동하여 반도체의 양쪽을 연결할 수 있다는 아이디어를 검증하려고 여러 차례 시도했지만 성공하지 못했습니다. 실망한 Shockley는 Bell 연구소의 다른 두 물리학자 John Bardeen(반도체 전자 이론에 정통함)과 Walter Brattain(시제품 및 연구 장비 사용에 능함)을 찾아 갔고 이 두 사람이 팀에 함류하게 되었습니다. Shockley는 팀을 이중으로 구성했습니다. 전계 효과를 성공하기 위해 몇 년 동안 많은 시도를 했지만 한 번도 성공하지 못했습니다. 그들은 계산을 검토했지만 이론상으로는 문제가 없었습니다. Bardeen과 Brattain은 틀에서 벗어나서 얇은 실리콘 및 게르마늄 슬라이스로 전계 효과를 일으키는 실험을 했습니다. 1947년 가을에 Brattain은 반도체 표면에 맺히는 물을 응결하는 데 어려움을 겪으면서 진척의 징후를 느꼈습니다. 물을 말리는 대신 실리콘 위에 물방울이 맺히게 두고 위에 놓인 판에 동력을 가하여 증폭 효과를 확인했습니다. 물방울이 표면 장벽을 극복하여 전자 흐름을 생성하는 데 도움을 주었지만 속도가 느려서 음성을 성공적으로 송신하는 데 필요한 음성 신호를 선명하게 증폭할 수 없었습니다.

1947년 12월(기적의 달로 알려짐)에 전계 효과의 간격과 물을 제거하고 금으로 접촉 단자를 만들어 반도체를 연결하려는 생각을 해냈습니다. 그들은 당시에 쉽게 사용할 수 있었던 게르마늄으로 전환하고 게르마늄에서 자연적으로 형성되는 얇은 산화막으로 격리시켰습니다. 수 많은 테스트를 실시했지만 한 번도 성공하지 못했습니다. 12월 중순에 Walter Brattain이 실수로 산화 코팅을 씻어내어 금 접촉 단자가 게르마늄에 직접 연결되는 사고가 발생했습니다. 맞습니다! 충분한 증폭이 발견되었고 트랜지스터가 올바르게 작동했습니다. Shockley의 전계 효과 아이디어 이론처럼 반도체 표면으로 전자를 당겨오는 대신 Brattain과 Bardeen은 반도체를 금 접촉 단자에 연결하면 홀이 반도체에 유입되어 전기가 흐르게 된다는 사실을 발견했습니다. 1947년 12월 중순경에 이들은 Shockley에게 알리지 않고 작동 시제품을 만들기 시작했습니다. Brattain은 비스듬한 가장자리를 따라 금 호일을 감싼 플라스틱 삼각형 모양으로 기구를 조립하여 삼각형의 꼭지점에 매우 가는 구멍을 만들었습니다. 시제품은 아주 엉성했습니다. 종이 클립을 스프링으로 만들어서 삼각형을 얇은 게르마늄 반도체 안으로 밀어 넣고 얇은 구리색 판 위 삼각형의 양쪽 끝에 하나씩 두 개의 리드를 놓았습니다. 게르마늄 슬라이스 아래에 있는 구리색 판이 세 번째 리드 역할을 했습니다(그림 7). 최종적으로, 점접촉 트랜지스터라고 지칭되었습니다.

Brattain과 Bardeen은 Shockley에게 좋은 소식이 있다고 알렸습니다. Shockley는 만감이 교차했습니다. 시제품이 작동한다는 것이 기뻤지만 한편으로는 자신이 직접 만들지 못했다는 것이 실망스러웠습니다. 발명 일주일 후인 1947년 12월 23일에 Shockley의 상사에게 시연되었고 1948년 6월 30일에 공식적으로 발표되었습니다. 기록을 위해 그때 당시에 사진을 찍어 두었습니다(그림 8). Shockley는 파손되기 쉬운 점접촉 트랜지스터는 쉽게 제조할 수 없다는 것을 알고 이를 개선하는 데 혼자서 몰두했습니다. Shockley는 자신의 방식으로 문제를 해결하기 위해 열정적으로 노력했습니다. 반도체 재료를 층으로 쌓아서 더 많이 집적하려는 생각을 문서로 정리했습니다. 훨씬 더 많은 연구를 통해 이론을 완성하고 접합 트랜지스터에 대한 특허를 신청했습니다(1948년 6월 25일). 1950년 4월 20일에는 n-p-n 접합 트랜지스터의 기능을 입증했습니다(Gordon Teal과 Morgan Sparks의 노력으로 실현됨). 이에 대한 내막은 여러분이 생각하는 것보다 훨씬 더 복잡합니다4.

William Shockley, John Bardeen, Walter Brattain은 1956년 12월 10일에 트랜지스터 효과의 발명에 대한 공로를 인정받아 노벨상을 수상했습니다.

점접촉 트랜지스터 이미지

그림 7: 점접촉 트랜지스터(Nokia Corporation의 허가를 받아 재사용)

John Bardeen(왼쪽), William Shockley(가운데), Walter Brattain(오른쪽)의 이미지

그림 8: John Bardeen(왼쪽), William Shockley(가운데), Walter Brattain(오른쪽) (Nokia Corporation의 허가를 받아 재사용)

참고 자료

  1. Riordan, Michael and Lillian Hoddeson. 1997. Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. New York, NY: W.W. Norton & Company, Inc.
  2. Ryder, R.M. 1958. “Ten years of Transistors”, Radio-Electronics Magazine, May, page 35.
  3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. 1991. “ALEXANDER GRAHAM BELL”. Retrieved Dec. 19, 2017.
  4. Riordan, Michael, Lillian Hoddeson, Conyers Herring. 1999. “The Invention of the Transistor”, Modern Physics, Vol 71, No. 2: Centenary.

자세한 내용은 http://www.pbs.org/transistor/를 참조하십시오.

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작성자 정보

John LeDuc

Digi-Key Electronics의 디지털 사업부 프로젝트 관리자인 John LeDuc는 1984년부터 Digi-Key 고객의 기술 관련 질문을 처리하고 제품을 검토하여 카탈로그에 추가하는 작업을 해왔습니다. John LeDuc는 National Semiconductor의 INS8073 Tiny Basic 데모 기판 지원을 전문으로 했으며, 현재는 당사 웹 사이트 개선을 위한 우수한 아이디어를 취합하고 생성하여 엔지니어링 고객에게 더 나은 디지털 경험을 제공하는 일을 하고 있습니다. John은 Electronics Technology에서 준학사 학위를 취득했으며 여가 시간에 전자 장치를 조작하고 3D 프린터로 고유한 설계을 만드는 '밤의 엔지니어'이기도 합니다.

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Digi-Key Electronics

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