능동소자

전자 회로를 구성하는 소자 중, 입력 신호의 증폭 또는 발진 등을 작용할 수 있는 소자를 말한다. 이때, 에너지 보존 법칙이 성립해야 하므로 다른 전원 장치로부터 에너지를 얻어 작동한다. 능동소자는 전압원, 전류원, 저항 또는 축전기와 같은 수동 소자로 구성된 등가회로로 나타낼 수 있다.

그림 1은 제너 다이오드의 등가회로이다. 능동소자의 예로 다이오드, 트랜지스터, 연산 증폭기 그리고 진공관 등이 있다.

그림 1. 제너 다이오드 등가회로 (출처: 한국물리학회)

그림 2는 능동소자 중 하나인 PN 접합 다이오드의 구조다. PN 접합 다이오드는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 구조다. 다이오드는 회로에서 전류를 한쪽 방향으로 흘려주고 역방향 전류가 흐르는 것을 차단하는 역할을 한다.

그림 2. PN 접합 다이오드 (출처: 한국물리학회)

순방향 바이어스가 가해졌을 경우, 문턱 전압보다 높은 전압이 가해지게 될 때, 전류가 급격하게 증가한다. 반대로 역방향 바이어스가 가해졌을 경우, μA 정도의 무시할 수 있는 역방향 전류가 흐른다. 이러한 다이오드의 입력 전압 @@NAMATH_INLINE@@v_{ D }@@NAMATH_INLINE@@과 출력 전류 @@NAMATH_INLINE@@i_{D}@@NAMATH_INLINE@@의 관계를 식으로 나타내면 다음과 같으며 이를 다이오드 방정식이라 한다.

@@NAMATH_DISPLAY@@i_{ D } = I_{ s } [exp( \frac{ v_{ D }}{ kT/q } )-1]@@NAMATH_DISPLAY@@(@@NAMATH_INLINE@@k@@NAMATH_INLINE@@ : 볼츠만 상수, @@NAMATH_INLINE@@q@@NAMATH_INLINE@@ : 전자의 전하량, @@NAMATH_INLINE@@T@@NAMATH_INLINE@@ : 절대온도, @@NAMATH_INLINE@@I_{ s }@@NAMATH_INLINE@@ : 역포화 전류)

그림 3. 양극성 접합 트랜지스터 ()

그림 3은 능동소자 중 하나인 양극성 접합 트랜지스터의 구조다. 양극성 접합 트랜지스터는 P형 반도체와 N형 반도체 3개를 교대로 접합시킨 구조로 NPN 트랜지스터와 PNP 트랜지스터 두 종류가 있다. 양극성 접합 트랜지스터는 회로에서 신호를 증폭하거나 스위칭 역할을 한다. NPN 트랜지스터에서 N형 반도체 중 하나에 연결된 단자를 컬렉터(collector)라 하고 다른 N형 반도체에 연결된 단자를 이미터(emitter)라 하며 P형 반도체에 연결된 단자를 베이스(base)라 한다.

증폭기로 사용되는 경우, 베이스와 이미터 사이에 순방향 바이어스가 가해지고, 베이스와 컬렉터 사이에 역방향 바이어스가 가해진다. 스위치로 사용되는 경우, 베이스와 이미터 사이와 베이스와 컬렉터 사이에 둘 다 순방향 바이어스가 가해지는 경우, 회로는 개방되며 반대로 둘 다 역방향 바이어스가 가해지는 경우, 회로는 차단된다.

이 외에도 연산증폭기나 진공관 등 다양한 능동소자들이 회로에서 신호를 다루는데 사용된다. 연산증폭기의 경우, 회로에서 입력 신호를 증폭시켜 주는 역할을 하며 수학적인 연산, 필터 등 다양한 기능을 하는 회로에 사용된다. 진공관의 경우, 금속이 가열될 때 나오는 전자를 이용해 전기장을 제어해 신호를 정류, 증폭하는 등의 역할을 하는 소자이다.