기초전자회로

제1장 전자회로의 기초 / 07
1.1. 전자회로란 무엇인가? / 07
1.2. 반도체와 전자회로의 관계 / 10
1.3. 전압, 전류에 대한 기호 규약 / 16

제2장 다이오드 회로 / 19
2.1. 다이오드를 어떻게 볼 것인가? / 20
2.2. 다이오드 응용회로 / 27
2.3. 제너 다이오드 / 45

제3장 연산 증폭기 / 52
3.1. 연산 증폭기란? / 52
3.2. 좋은 연산 증폭기를 고르려면? / 56
3.3. 교류 신호와 연산 증폭기 / 65
3.4. 연산 증폭기의 등가회로 / 70

제4장 연산 증폭기 회로 : 선형회로 / 76
4.1. 선형 연산 증폭기 회로 해석법 / 77
4.2. 저항만을 포함하는 연산 증폭기 회로 / 86
4.3. 연산 증폭기 회로의 주파수 응답 / 96

제5장 연산 증폭기 회로 : 비선형 회로 / 109
5.1. 다이오드와 연산 증폭기의 만남 / 109
5.2. 멀티바이브레이터 / 129

제6장 트랜지스터 / 156
6.1. BJT / 157
6.2. JFET / 174
6.3. MOSFET / 186

제7장 트랜지스터 증폭기 / 204
7.1. 증폭기 해석의 기본 / 204
7.2. BJT 증폭기의 DC 해석 / 213
7.3. JFET 증폭기의 DC 해석 / 231
7.4. MOSFET 증폭기의 DC 해석 / 244
7.5. BJT 증폭기의 AC 해석 / 256
7.6. FET 증폭기의 AC 해석 / 278

제1장 전자회로의 기초

1.1. 전자회로란 무엇인가?
전자회로(electronic circuit)는 반도체 전자소자를 이용하여 전기적인 신호(signal)의 발생, 변환, 전송, 소비, 저장 등을 다루는 전기공학 및 전자공학의 한 분야이다. 여기서 신호는 정보(information)를 갖는 물리량을 말하며 전자회로가 하는 일은 전기적인 신호를 목적에 맞게 가공하고 처리(processing)하는 것이다. 또 이러한 일을 하는 전자회로가 일반 회로와 다른 점은 반도체라는 물질로 이루어진 전자소자를 이용한다는 점이다.

· 신호와 전자회로
전자회로는 크게 나누어 아날로그(analog) 회로와 디지털(digital) 회로로 나누어 볼 수 있다. 아날로그 회로는 시간의 관점에서 연속적인 아날로그 신호를 다루며, 디지털 회로는 이산적인 논리적 디지털 신호를 다루는 회로이다. 오늘날 디지털 전자회로가 정보처리의 주류를 이루고 있지만 사실 이 두 종류의 전자회로는 서로 상호 보완적인 관계에 있다고 할 수 있다.
그림 1.1은 디지털신호처리기(DSP; digital signal processor)로 신호를 받아들이는 과정을 나타낸다. 온도, 속도, 압력, 음파 등과 같은 물리량이 갖는 정보의 수집은 센서를 필요로 하고 센서는 아날로그 신호를 발생시키는 일종의 신호 발생원으로 볼 수 있다. 이러한 신호발생원에서 발생되는 신호에는 측정과정에서 필연적으로 노이즈(noise)가 포함되게 된다. 노이즈는 일반적으로 특정 주파수의 신호를 제거하거나 통과 시킬 수 있는 필터(filter)를 사용하여 선택적으로 제거할 수 있다. 또, 센서에서 발생되는 신호가 매우 미약하여 증폭(amplification)의 필요성이 존재할 수도 있다. 이와 같이 노이즈가 제거되고 적당히 크기가 증폭된 아날로그 신호는 일정한 시간 간격으로 읽혀지는데 이를 샘플링(sampling)이라고 한다. 샘플링된 신호는 다음 샘플링 시간까지 일정하게 유지되는데 이를 홀딩(holding)이라고 한다.
A/D 변환기는 홀딩된 아날로그 신호의 레벨을 디지털 신호의 데이터 값으로 변환한다. A/D 변환기를 통하여 디지털 신호로 변환되고 그 이후에야 비로소 디지털 회로의 동작에 의하여 정보를 해석하거나 기록 매체에 저장하는 등의 신호처리과정을 거치게 된다.
이 책에서는 전자회로의 전 범위를 다루기보다 전자회로에서 가장 많이 사용되는 다이오드, 트랜지스터, 연산 증폭기를 중심으로 하는 아날로그 전자회로만을 다루며 전자회로 입문서로서 충실하도록 그 범위와 수준을 한정하였다.

· 전자회로가 하는 일
전자회로가 하는 일은 다음과 같다.
① 전기적인 신호를 발생한다.
② 정보를 갖는 신호의 형태를 변환한다.
③ 서로 다른 장치 사이에 신호를 전송한다.
④ 적절한 형태로 신호를 표시하는 기능을 한다.
⑤ 신호의 정보를 저장한다.

자연계에 존재하는 신호는 다양한 물리량으로 나타내지는데 센서 또는 트랜스듀서(transducer)라고 하는 소자를 사용하면 빛, 소리, 온도, 압력 등의 다양한 형태의 물리량으로 존재하는 신호를 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 다음은 전자회로의 대표적인 신호처리 기능을 나열한 것이다.

· 증폭(amplification)
· 필터링(filtering)
· 파형 정형(wave shaping)
· 신호의 발생(signal generation)
· 신호의 저장(signal storage)

증폭 : 가장 간단하면서 가장 중요한 전자회로의 목적은 미약한 크기의 신호를 다루기 적절한 크기의 신호로 변환하는 것이다. 신호를 증폭할 때 신호에 포함된 정보의 상태가 바뀌면 안 되므로 신호를 증폭하는 증폭기는 가능한 입력 신호의 넓은 범위에서 선형성(linearity)을 갖는 것이 중요하다. 선형성이란 간단히 말하면 입력과 출력이 비례하는 관계를 말한다.
필터링 : 신호처리에서 필터링은 주어진 신호에서 잡음(noise)이라고 하는 원하지 않는 불필요한 성분을 제거하는 과정을 말한다. 신호는 다양한 주파수의 성분의 합으로 표현할 수 있는데 필터링을 하면 정해진 주파수 대역의 성분은 통과하고 나머지 주파수 대역의 성분은 출력에 포함되지 않게 된다.
파형 정형 : 파형 정형은 특별한 필요에 의하여 신호 파형의 형태를 변경하는 것이다. 예를 들면 정현파의 신호가 주어졌을 때, 일정한 크기를 기준으로 파형을 잘라내거나 파형을 꺽어서 절대값의 파형을 출력할 수도 있다. 또는 주어진 파형이 양(+)의 값인지 음(－)의 값인지 판별하기 위하여 구형파(square wave)의 파형으로 변형할 수도 있다.
신호의 발생 : 전자회로는 꼭 자연계에서 신호를 획득하지 않고도 발진기라는 장치를 사용하여 필요한 파형의 신호를 직접 만들어 낼 수도 있다. 이 경우 신호 발생기는 입력은 없고 출력만 존재하는 시스템으로 볼 수 있다. 정현파 발생회로나 삼각파나 톱니파같은 비정현파 발생회로가 발생하는 신호는 이것을 필요로 하는 다른 전자회로의 입력으로 사용된다.
신호의 저장 : 신호를 저장하는 대표적인 소자는 디지털 소자인 메모리 소자이다. 아날로그 소자 가운데 쌍안정 멀티바이브레이터 같은 소자도 과거의 입력정보를 저장할 수 있다.

1.2. 반도체와 전자회로의 관계
전자회로에는 반도체 전자소자 이외에도 저항, 커패시터, 인덕터와 같은 수동소자도 포함된다. 그러나 전자회로가 일반 전기 회로망과 다르게 특별한 점은 반도체로 만들어진 전자소자가 포함되며 반도체 전자소자만의 특별한 성질을 이용한다는 점이다. 그러므로 전자회로를 이해하기 위하여 반도체 전자소자를 이해하여야 하며, 반도체 전자소자를 알기 위하여 반도체에 대한 기본적인 지식을 갖고 있어야 한다.

· 반도체란 무엇인가?
반도체(semiconductor)란 무엇인가? 반도체는 도체(conductor)와 부도체(insulator)의 중간쯤 되는 전도성을 갖는 물질인가? 즉, 도체는 전기를 잘 통하는 물질이고 부도체는 전기를 잘 통하지 못하는 물질인 반면 반도체는 도체와 부도체의 중간쯤 전기를 통하는 물질로 봐야하는가? 이에 대한 답을 구하기 위하여 도체의 대표적인 물질인 구리(Cu), 부도체의 대표적인 물질인 운모, 반도체의 대표적인 물질인 실리콘(Si)의 고유저항을 살펴보자. 구리의 고유저항은 [Ω-cm], 운모의 고유저항은 [Ω-cm], 실리콘의 고유저항은 [Ω-cm]이다. 실리콘의 고유저항을 볼 때 구리와 운모의 사이에 있는 것은 맞지만 ‘중간’이라고 보기에는 애매한 면이 있다.
반도체를 흔히 “반도체와 부도체의 중간적 성질을 갖는다.”고 하지만 이것은 정확한 표현이 아니다. 왜냐하면 뒤에서 설명하겠지만 순수한 반도체는 엄밀한 의미에서는 부도체로 분류하는 것이 더 적절하기 때문이다.
그러면 우리가 알고 있는 “전기가 통하는 반도체”는 무엇일까? 그것은 원래 부도체에 가까운 반도체에 어떤 조작을 가함으로써 도체가 되었다는 의미가 된다. 다시 정리하자면 반도체란 “인위적인 조작이나 외부에너지를 통해 인공적으로 전도성을 변화시킬 수 있는 물질”이라고 하는 것이 더 적절한 표현이다. 금속이나 운모처럼 도전율이 고정된 것이 아니라 인간의 의지대로 도절율을 조절할 수 있다는 것이 반도체의 핵심이다.

[1] 부도체로서의 반도체
어떤 물체든지 전기가 흐르려면 전기(또는 전하)의 운반체, 즉 캐리어(carrier)가 있어야 한다. 금속의 경우 자유전자(free electron)가 전하의 운반체이다. 자유전자는 원자핵의 인력에 구속되지 않고 자유로이 금속 결정 격자사이를 돌아다닐 수 있는 전자이다. 그렇다면 실리콘과 같은 반도체 물질에서 캐리어는 무엇일까?
단일원소의 반도체는 주로 IV족 원소인 게르마늄(Ge, germanium)이나 실리콘의 단결정이다. IV족 원소는 최외각의 전자수, 즉 가전자가 4개이며 공유결합(covalent bond)에 의해서 정사면체 구조의 안정된 상태의 다이아몬드 결정을 이룬다. 그림 1.2는 공유결합된 실리콘 결정을 2차원 평면에 나타낸 것이다. 그림 1.2와 같이 불순물이 섞이지 않은 순수한 반도체를 진성반도체(intrinsic semiconductor)라고 한다.
진성반도체에서는 반도체 원자들이 공유결합하면서 그 공유결합에 참여하는 전자들은 자유롭지 못하고 캐리어로서의 역할을 못한다. 따라서 진성반도체에서 외부의 에너지(빛 또는 열)가 반도체를 구성하고 있는 원자의 공유결합을 끊지 못할 경우 움직일 수 있는 전자가 없으므로 부도체의 성질을 띤다. 특히, 절대온도 0 oK에서 반도체의 모든 가전자는 공유결합을 하며 이 경우 반도체소자는 완벽한 부도체가 된다.

[2] 도체로서의 반도체
진성반도체는 부도체에 가깝지만 다음 두 가지 경우 캐리어가 생성되어 전도성을 가질 수 있다.
진성반도체에 에너지가 가해지는 경우 :
진성반도체의 공유결합은 비교적 강한 결합이지만 주위로부터 열에너지 또는 광에너지를 받으면 공유결합이 일부 깨지면서 결합에 구속되었던 가전자들이 결합 밖으로 튀어 나와 반도체 내를 자유롭게 이동할 수 있는 자유전자가 된다. 그리고 자유전자가 생성되고 난 바로 그 빈자리에는 다른 원자에서 떨어져 나온 자유전자가 채울 가능성도 있다. 전자가 빠져나간 빈자리를 정공(hole)이라고 하는데 정공을 다른 전자가 채우면 다른 곳에 정공이 생겨서 마치 정공이 이동하는 것처럼 간주할 수 있다. 정공의 이동방향은 전자의 이동방향과 반대이므로 음의 극성인 자유전자와 극성이 반대인 양의 극성을 갖는 입자처럼 볼 수 있다.
진성반도체에서는 전자가 빠져나간 자리에 정공이 생기는 것이므로 그림 1.2 (b)와 같이 전자와 정공은 쌍으로 생성된다. 이를 전자-정공쌍(electron-hole pair)이라고 한다. 일단 생성된 자유전자와 정공은 반도체 결정 내를 자유롭게 이동할 수 있는 캐리어가 된다. 그런데 상온(300 oK)에서 실리콘의 경우 전자농도 , 정공농도 라고 할 때, 가 되며 /cm3 정도 되어 캐리어의 수가 충분하지 못하므로 상온에서는 거의 부도체에 가깝다고 볼 수 있다. 여기서 를 진성 캐리어농도라고 하며 온도가 증가하면 지수함수적으로 증가한다.
진성반도체에 불순물이 첨가되는 경우 :
순수한 Si 또는 Ge에 주기율표에서 인접한 Ⅲ족 혹은 Ⅴ족의 원자를 첨가하면 캐리어의 농도가 상승하여 도전율이 증가한다. 이와 같은 불순물의 첨가과정을 도핑(doping)한다고 하며, 첨가되는 불순물을 도펀트(dopant)라고 한다. 도핑된 반도체는 불순물 반도체 또는 외인성 반도체(extrinsic semiconductor)라고 부른다. 외인성 반도체는 도핑 농도에 따라 도전율을 조절할 수 있다.

· n형 반도체와 p형 반도체
외인성 반도체는 어떤 종류의 불순물을 첨가하는가에 따라 형 반도체와 형 반도체로 나누어 볼 수 있다.

[1] n형 반도체
순수한 실리콘(Si) 결정에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb)와 같은 5족 원소의 물질을 첨가하면 5족 원소를 둘러싼 4개의 Si 원자와 하나씩 공유한 4개의 전자에 Ⅴ족 원자 자신이 가지고 있는 5개의 최외각전자를 합하여 9개의 최외각전자를 갖게 된다. 최외각에는 8개의 전자가 채워지면서 안정한 전자구조를 이룰 수 있으므로 하나의 전자가 남게 된다. 이러한 상태를 그림 1.3 (a)에 보였다. 이렇게 남은 최외각전자는 최외각을 채우고 나서도 여분으로 남아 있는 전자이기 때문에 결합력이 상대적으로 약하다. 따라서 약간의 외부에너지만 받아도 Ⅴ족 원자의 구속에서 벗어나 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 된다. 이 경우 Ⅴ족 원자는 (＋)이온이 된다. 이렇게 주기율표상의 Ⅴ족 원소는 전자를 준다는 의미에서 도너(donor)라고 한다.
도핑할 때 도너의 주입량을 증가시켜, 즉 농도를 높여 전자가 많아지면 질량작용의 법칙(mass action law)에 따라 재결합이 일어나 정공과 전자가 쌍으로 줄어들면서 평형조건인 을 만족시킨다. 그러므로 전자의 농도는 보다 커지고 정공의 농도는 보다 작아져 전류는 주로 음전하를 띤 전자에 의하여 흐르게 된다. 이러한 반도체를 negative 또는 n형 반도체라고 한다. 그리고 형 반도체 안에 많이 있는 다수 캐리어(majority carrier)는 전자가 되고, 적게 들어 있는 소수 캐리어(minority carrier)는 정공이 된다.

[2] p형 반도체
한편 순수한 실리콘의 결정에 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In)과 같은 3족 원소의 물질을 첨가하면 그림 1.3 (b)에 보인 대로 전자가 하나 부족할 것이므로 다른 곳의 전자 하나를 받아 최외각을 8개의 전자로 채우려할 것이다. 실제로 다른 Si 원자에 공유결합 되어 있는 전자는 작은 에너지만 받고도 Ⅲ족 원소의 빈자리를 채운다. 이렇게 전자가 떠난 곳에는 자유롭게 움직일 수 있는 빈자리, 즉 정공이 생기며 Ⅲ족 원자는 전자를 받고 (－)이온이 된다. 이처럼 정공을 생성시키는 Ⅲ족 원자를 억셉터(acceptor)라고 한다.
억셉터를 넣어주어 정공이 많아지면 질량작용의 법칙에 따라 전자와 정공의 재결합이 일어나 전자와 정공이 쌍으로 없어진다. 그리고 평형상태가 되면 형 반도체에서와 같이 이 된다. 이에 따라 정공의 농도는 보다 높아지고 전자의 농도는 보다 낮아져 (+)전하의 정공이 다수 캐리어가 된다. 이러한 반도체를 positive 또는 p형 반도체라고 하는데, 형 반도체와는 달리 (＋)전하를 띤 정공이 다수 캐리어가 되고 전자가 소수 캐리어가 되기 때문이다.