트랜지스터
(BJT)

작은 전류로 큰 전류를 제어한다

BJT는 단자가 셋이다. 베이스(B), 컬렉터(C), 이미터(E)다. 핵심은 베이스에 흘리는 작은 전류가 컬렉터의 큰 전류를 여닫는다는 점이다.

비유하면 수도꼭지다. 손가락 힘(베이스 전류)은 작지만, 그 힘으로 굵은 수도관의 물줄기(컬렉터 전류)를 통째로 조절한다.
밸브를 직접 미는 게 아니라 흐름을 “허락”하는 방식이다.

전류는 컬렉터에서 이미터로 흐른다. 베이스는 그 길을 얼마나 열지 정하는 작은 손잡이다.
베이스 전류가 0이면 길이 닫혀 컬렉터도 0이고, 베이스 전류가 늘면 길이 넓어져 컬렉터가 그만큼 더 흐른다.

즉 BJT는 전류로 전류를 제어하는 부품이다.

전류이득 β, I_C = β·I_B

제어가 얼마나 센지를 한 숫자로 압축한 것이 전류이득 β(베타)다. 정의는 I_C = β × I_B.

β는 보통 50~300 사이다. β=100이면 베이스에 1µA를 흘릴 때 컬렉터에는 100µA가 흐른다. 베이스 전류를 100배로 부풀려 컬렉터로 내보내는 셈이다.
데이터시트에는 같은 값이 h_FE로도 적혀 있는데, 둘은 사실상 같은 말이다.

전체 흐름은 키르히호프로 닫힌다. I_E = I_C + I_B다.
컬렉터로 들어온 큰 전류와 베이스로 들어온 작은 전류가 이미터에서 합쳐져 빠져나간다.

그래서 β가 클수록 같은 베이스 전류로 더 큰 컬렉터 전류를 얻는다. 증폭의 세기가 곧 β다.
다만 β는 온도와 소자마다 들쭉날쭉해서, 실무 회로는 β에만 기대지 않게 설계한다.

베이스를 흔들면 컬렉터가 따라온다

베이스 전류를 키우면 I_C가 β배로 따라 커진다.

가는 막대(µA)를 한 칸 올리면 굵은 막대(mA)가 β배만큼 솟는다. β를 키우면 같은 베이스 전류로도 컬렉터가 더 크게 뛴다. 증폭 배율 자체가 β다.

출력 전압은 Vout = Vcc − I_C·Rc로 따라 움직인다.
컬렉터 전류가 커질수록 Rc에서 더 많이 깎여 Vout이 끌려 내려간다. 입력이 오르면 출력이 내려가는 반전 증폭이 여기서 나온다.

단, I_C는 무한정 커지지 않는다. 회로가 흘릴 수 있는 한계 I_C(sat) = Vcc/Rc에 닿으면 거기서 막힌다. 이 상태가 포화다.

스위치냐 증폭이냐, 같은 부품 다른 동작점

같은 BJT라도 어느 영역에서 쓰느냐로 역할이 갈린다. 영역은 셋이다. 차단, 활성, 포화다.

차단(cutoff)은 베이스 전류 0에 컬렉터 0이다. 길이 완전히 닫힌다. 스위치 OFF, Vout=Vcc다.
활성(active)은 I_C=β·I_B가 성립하는 선형 구간이다. 여기서 증폭한다.
포화(saturation)는 베이스를 충분히 세게 밀어 컬렉터가 한계까지 도통한 상태다. 스위치 ON, Vout≈0이다.

증폭기는 활성영역 한가운데에 동작점을 잡아두고 입력을 그 위에서 작게 흔든다. 출력이 선형으로 따라온다.
스위치는 활성을 빠르게 건너뛰어 차단과 포화만 오간다. 0과 1, 꺼짐과 켜짐만 쓴다.

그래서 BJT 하나로 오디오 증폭도, 디지털 ON/OFF도 한다. 회로가 부품을 어느 동작점에 두느냐의 차이일 뿐이다.

정리, 트랜지스터라는 고전

BJT는 외울 게 많아 보여도 한 줄로 압축된다.
작은 베이스 전류로 큰 컬렉터 전류를 제어한다. I_C = β·I_B다.

이 한 가지가 20세기 전자공학을 바꿨다. 진공관을 밀어내고 라디오, 컴퓨터, 모든 전자기기를 작고 싸게 만든 게 트랜지스터다. 그래서 회로의 고전이다.

증폭이 필요하면 활성영역, 켜고 끄는 게 필요하면 차단과 포화를 쓴다. 같은 부품을 동작점만 바꿔 두 일을 다 한다.