트랜지스터의 단점을 보완하는 기술 – 제1부

 

트랜지스터의 단점을 보완하는 기술 제1부에서는 트랜지스터의 단점이 무엇인가를 알아 보겠습니다.

 

트랜지스터를 사용한 오디오앰프는 사운드가 거칠고 차갑고 온화하지 못하다는 인식이 되어 있기 때문에 고급 오디오기기는 아직도 진공관을 사용하고 있습니다.

현시대의 트랜지스터는 실리콘이 주 재료이며, 잘 정제된 실리콘은 절연도가 매우 높습니다.

이 실리콘에 불순물을 소량 혼합하여 절연도를 제어할 수 있도록 한 것이 N형 반도체와 P형 반도체 입니다.

N형 반도체와 P형 반도체를 접합한 것이 실리콘다이오드 입니다. 실리콘다이오드 양단에 전압을 가하지 않거나 역방향으로 전압이 가해지면 순수한 실리콘의 높은 절연도를 유지합니다. (반도체특성1) 그러나, 순방향으로 전압이 가해지면 도체로 바뀝니다. (반도체특성2)

상기 반도체특성1은 트랜지스터의 장점이면서 단점도 됩니다.

트랜지스터 앰프의 사운드가 거칠고 차갑고 온화하지 못한 원인이 반도체특성1에 의한 것입니다.

반도체특성1은 트랜지스터의 주 재료에 따라서 특성에 차이가 있습니다.

과거 초기 트랜지스터 라디오는 게르마늄 반도체를 사용 했습니다. 과거 트랜지스터 라디오의 소리가 좋았던 기간은 게르마늄 트랜지스터로 생산 할 때까지 였습니다. 게르마늄 트랜지스터 다음으로 실리콘 트랜지스터가 사용 되었습니다. 열에 강한 편이고 취급하기도 편했습니다. 수많은 종류의 실리콘 트랜지스터가 나오기 시작 했습니다.

이 때부터는 사운드가 좋으니 나쁘니 할 여유도 없었고, 할 필요도 없었습니다. 왜냐하면 실리콘 트랜지스터를 사용 하면서 무궁무진한 발전을 할 수 있었기 때문입니다.

어떤 기술자가 실리콘 트랜지스터에서 나오는 소리가 나쁘다고 느꼈어도 회로를 개선하면 해결 될 것이라고 판단 했을 것이고(왜냐하면 다른 장점이 많기 때문에) 또 그렇게 믿고 회로 개선에 노력했을 것입니다.

 

실리콘 트랜지스터의 문제점은 현재까지 개선되지 않은 채 온 것입니다.

 

그러면 게르마늄 트랜지스터와 실리콘 트랜지스터의 차이점이 무엇이길래 사운드에 차이가 생기는 것 일까요?

 

그 답은 전극간 절연특성 또는 절연도의 차이에 있습니다.

트랜지스터 규격표에서 전극간 누설전류를 Icbo로 표시합니다.

게르마늄 트랜지스터의 컬랙터와 베이스 간 누설전류 Icbo는 8uA ~ 30uA 입니다. (AC124, AC125 등) 반면에, 실리콘 트랜지스터의 컬랙터와 베이스간 누설전류 Icbo는 최대 0.1uA 입니다. 대략 100 배 이상 차이가 납니다. 정확하게는 컬랙터와 에미터간 누설전류 Iceo를 비교 해봐야 정확하지만, 트랜지스터 규격표에는 Iceo 를 잘 표시하지 않으므로 Icbo로 비교 했습니다.

컬랙터와 에미터간 누설전류는 게르마늄 트랜지스터 보다 실리콘 트랜지스터가 매우 작으며 절연도가 좋다는 것을 알 수 있습니다.

진공관은 히터가 가열되어 있는 동안에는 열전자가 존재하기 때문에 플레이트와 케소드 사이에 미소전류가 항상 흐르는 상태로 됩니다.

 

그러면 실리콘 트랜지스터의 절연층에서 절연도가 좋은 것이 왜 문제가 될까요?

 

트랜지스터로 구성된 증폭회로에서 베이스로 들어오는 입력신호의 변화가 컬랙터로 출력되기까지 얼마간 시간이 필요합니다. 베이스와 에미터 사이에 존재하는 정전용량과 베이스와 컬랙터에 존재하는 정전용량과 부하저항과 같은 회로 분포용량 등에 의해서 입력에서부터 출력으로 신호 전달에 지연 생깁니다.

만일, 베이스에 인가된 입력신호 전압이 낮아졌다고 가정하면, 베이스 전류가 감소하기 때문에 컬랙터 전류도 감소합니다. 컬랙터 전류가 감소한다는 것은 컬랙터의 임피던스가 높아지는 것과 같습니다. 부하 저항과 PCB 패턴 등의 상태에 따라서 컬랙터의 변화 속도를 따라가지 못하는 경우에는 부하저항과 컬랙터 전극이 분리되는 순간이 생기며 부하저항의 전위는 플로팅 상태로 됩니다.

이때, 게르마늄 트랜지스터는 누설전류가 있기 때문에 부하저항과 접속 상태를 유지하지만, 실리콘 트랜지스터는 절연도가 너무 좋기 때문에 컬랙터 전류는 완전히 차단되어 부하저항과 분리된 상태로 되고, 컬랙터 단자는 임의 전압으로 변경되거나 주위의 노이즈 또는 전자파에 쉽게 노출 됩니다. 즉 증폭신호에 변형이 생기는 것 입니다.

 

실리콘 트랜지스터의 컬랙터와 에미터간 절연도가 좋다는 것은 장점이 되기도 하지만, 증폭하는 과정에서 트랜지스터의 컬랙터와 부하저항 사이가 끊어지는 (플로팅되는) 순간이 생기며, 이 플로팅되는 순간에는 증폭신호와 전혀 다른 전압으로 변경되고, 주위의 노이즈에 쉽게 영향을 받아서 증폭신호와 전혀 다른 전압으로 변경됩니다.

즉 증폭된 출력신호가 변형되고, 펄스 전압으로 변형되는 경우에는 자극적인 사운드로 됩니다. 또한 완만한 저역 신호 레벨을 추종하지 못하여 온화하고 깊은 저역의 사운드를 재현하지 못합니다.

 

실리콘 트랜지스터의 컬랙터와 에미터 사이 절연도를 보완하는 것이 트랜지스터의 단점을 보완하는 기술의 요지가 됩니다.

 

다음 글, 트랜지스터의 단점을 보완하는 기술 – 제2부 에서 만나요….