실험 가이드
트랜지스터 β(hFE)는 왜 일정하지 않을까
NPN 트랜지스터 시뮬레이션 결과로 β, 얼리 효과, 포화 영역을 숫자로 확인합니다.
교재에서는 IC = β·IB를 쓰고 β를 상수처럼 다룹니다. 그런데 같은 트랜지스터 하나에서도 β는 전류에 따라 꽤 변합니다. PSpice NPN 트랜지스터 모델로 구한 베이스·컬렉터·이미터 전류를 정리했습니다.
1. VBE에 따른 세 전류
| VBE | IB | IC | |IE| | β = IC/IB | α = IC/IE |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.65 V | 4.559 µA | 587 µA | 592 µA | 129 | 0.9916 |
| 0.70 V | 23.68 µA | 3.753 mA | 3.776 mA | 158 | 0.9939 |
| 0.73 V | 64.55 µA | 10.61 mA | 10.68 mA | 164 | 0.9939 |
| 0.76 V | 174.6 µA | 26.33 mA | 26.5 mA | 151 | 0.9934 |
- β가 129~164로 변한다: 같은 부품인데도 전류에 따라 28% 차이가 납니다. 실제 부품끼리는 데이터시트상 2~3배까지도 다릅니다.
- 키르히호프 전류 법칙: IB + IC와 |IE|가 모든 행에서 0.07% 안으로 같습니다.
- 지수 관계: 컬렉터 전류가 10배 되는 데 VBE가 62~76 mV 필요했습니다. 이상적인 값은 59.5 mV이고, 전류가 커질수록 내부 저항 때문에 더 많이 필요합니다.
2. IC–VCE 특성과 얼리 효과
| VBB | VCE 0.1 V | VCE 0.2 V | VCE 0.3 V | VCE 0.4 V | VCE 0.5 V | VCE 1 V | VCE 3 V | 얼리 전압 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 V | 0.096 mA | 0.39 mA | 0.419 mA | 0.42 mA | 0.421 mA | 0.423 mA | 0.435 mA | ≈ 69 V |
| 2 V | 0.597 mA | 1.7 mA | 1.87 mA | 1.878 mA | 1.881 mA | 1.894 mA | 1.945 mA | ≈ 73 V |
| 4 V | 0.847 mA | 4.512 mA | 5.102 mA | 5.121 mA | 5.129 mA | 5.163 mA | 5.301 mA | ≈ 74 V |
VCE가 0.3 V를 넘으면 전류가 거의 평평해지지만 완전히 평평하지는 않습니다. 1 V와 3 V 사이의 기울기를 연장하면 VCE축과 만나는 점(얼리 전압)이 세 경우 모두 약 69~74 V로 비슷하게 나옵니다. 이게 트랜지스터 출력 저항(ro ≈ VA / IC)의 정체입니다.
VCE = 0.1 V에서는 전류가 활성 영역 값의 16~32%로 줄었습니다. 두 접합이 모두 순방향인 포화 영역입니다.
3. 설계할 때는
- 증폭기: β에 의존하지 않도록 이미터 저항이나 피드백으로 이득을 정합니다. β가 이만큼 흔들려도 동작점이 크게 바뀌지 않게 하기 위해서입니다.
- 스위치: 데이터시트의 최소 hFE보다도 훨씬 작은 β(보통 10~20)를 가정해 베이스 전류를 넉넉히 줘야 확실히 포화됩니다. 트랜지스터 베이스 저항 계산기가 이 방식으로 계산합니다.
LED 같은 부하 저항은 LED 저항 계산기, 베이스·컬렉터 저항의 전류는 옴의 법칙 계산기로 확인할 수 있습니다.