npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2022; 72: 409-418

Published online May 31, 2022 https://doi.org/10.3938/NPSM.72.409

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Analysis of the Contents of Transistors in Physics II Textbooks of the 2015 Revised Curriculum

Kwona Lee1, Hyojun Seok1*, Sangwoo Ha2

1Department of Physics Education, Kongju National University, Gongju 32588, Korea
2Department of Physics Education, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea

Correspondence to:*E-mail: hseok@kongju.ac.kr

Received: March 10, 2022; Revised: March 24, 2022; Accepted: March 28, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

We analyzed the unit of transistors in all physics II textbooks of the 2015 revised curriculum to see if the contents are suitable for students to reach the standards suggested by the curriculum. Specifically, we investigated the description of the structure of a transistor, amplification in transistors, and transistor bias voltage in the textbooks in terms of description accuracy, the learner’s convenience, and illustration accuracy. We found that the explanation of the universal dc bias circuit is not enough that it is hard for students to choose a bias voltage using resistors in a transistor circuit as an amplifier. There is no description of the basic elements to understand how transistors work, such as the pn junction of semiconductors. In addition, it was found that there is a lack of explanation of the essential contents, and many inaccurate terms and vague illustrations. We discussed several implications of this study.

Keywords: 2015 revised curriculum, Transistor, Textbook

본 연구에서는 2015 개정 교육과정의 물리학Ⅱ 교과서에 제시된 트랜지스터에 대한 내용이 성취 기준에 도달할 수 있도록 구성되어 있는지 살펴보았다. 구체적으로 내용의 정확성, 학습자의 편의성, 삽화의 정확성 측면에서 트랜지스터의 구조, 트랜지스터의 증폭 원리, 바이어스 전압에 대한 내용을 분석하였다. 연구 결과, 성취 기준에 도달하기 위해 필수적으로 포함되어야 할 범용 dc 바이어스 회로의 설명이 부족하였고, 트랜지스터의 기본이 되는 pn접합의 설명이 누락되어 있었다. 또한 부정확한 용어와 불분명한 삽화가 다수 발견되었다. 이에 학생들이 교육 과정에 제시된 성취 기준에 도달할 수 있도록 여러 시사점들을 논의하였다.

Keywords: 2015 개정 교육과정, 트랜지스터, 교과서

국가 교육과정 내에서 교과서는 교육목표의 달성과 구체적인 교육과정의 실현을 위한 1차적인 자료로[1, 2] 정확한 내용을 수록해야 하고[2], 학생들이 교과의 지식에 쉽게 다가갈 수 있도록 기술되어야 한다[2, 3]. 교과서는 학교 수업에서 가장 기본적인 자료이기 때문에 교수·학습에 미치는 영향이 매우 크다[4, 5]. 따라서 교과서에는 오개념을 유발할 수 있는 부정확한 기술을 배제하고[6], 글로 표현하기 어려운 내용은 시각적으로 묘사된 삽화를 이용하여 보충 설명해야 한다[5]. 특히 삽화는 정보를 글로만 전달하는 것보다 학생들의 이해도를 높이기도 하지만[7], 삽화와 그 삽화 속에 담긴 그림 요소의 의미가 잘못 해석될 경우, 학생들의 개념이 왜곡되거나 새로운 오개념을 유발할 수 있다[8]. 따라서 교과서가 교육목표에 도달할 수 있도록 구성되어 있는지, 정확한 내용을 담고 있는지, 삽화 등을 이용하여 학생들의 이해를 돕도록 구성되어 있는지 분석하는 것은 대단히 중요하다.

반도체는 전자, 정보 및 통신 기술에 이용되는 가장 중요한 전자 소자 중 하나로, 현대 물리학의 지식이 망라된 핵심 산물이라고 할 수 있다[9]. 이에 우리나라에서는 반도체에 대한 내용이 제 6차 교육과정에서 도입되고 2009 개정 교육과정에서부터 심화되어 다루어져 왔다[10]. 2009 개정 교육과정의 물리Ⅰ에서는 pn접합의 원리를 자세히 다루고, 반도체 소자의 예로 트랜스지터를 간단히 제시하고 있다[11]. 2015 개정 교육과정의 물리학Ⅱ에서는 트랜스지터가 독립적인 내용 요소로 도입되어 트랜지스터의 작동 원리를 학생들이 자세하게 학습하도록 구성되어 있다[12].

2015 개정 교육과정에서부터 트랜지스터에 대한 자세한 내용이 포함되면서 교수·학습에 여러 어려움이 있다[13]. 반도체와 관련된 물리 개념들을 이해하기 위해서 미리 학습되어야 할 개념들 중 반도체의 학습에 필수적인 전기 현상을 구체적으로 시각화하지 못해, 학생은 해당 내용을 이해하는 데 어려움을 겪고[14], 교사는 전자 물리가 교원 자격 기본 이수 과목에 포함되지 않아 심화된 반도체 관련 내용을 접할 기회가 적어 트랜지스터의 증폭 원리를 설명하는 데 어려움을 겪는다[13]. 또한, 전자 소자와 관련된 내용이 다른 내용 요소들에 비해 교육과정에 포함된 기간이 짧아 교과서 분석 연구를 포함한 효과적인 교수법을 탐색한 연구가 부족한 실정이다[4]. Baek et al.은 제 7차 교육과정의 기술, 생활과 과목, 물리 교과에서 반도체 관련 내용이 어떻게 다루어지고 있는지 분석하였고[15], Lee & Lee는 2015 개정 교육과정의 물리학Ⅰ,Ⅱ에서 전자기 단원의 여러 가지 내용과 탐구를 교과서별로 비교 분석하였다[16]. Lee & Lee는 2015 개정 교육과정의 물리학Ⅰ,Ⅱ에서 트랜지스터의 바이어스 전압 설정을 교과서별로 간단히 분석하였으나, 트랜지스터의 구조, 증폭 원리, 증폭 회로에 대해 체계적으로 분석한 연구는 찾기 힘들다.

이에 본 연구에서는 2015 개정 교육과정의 물리학Ⅱ 교과서에서 트랜지스터와 관련된 부분이 교육과정 성취기준을 달성하도록 구성되어 있는지, 정확한 내용을 담고 있는지, 삽화 등을 이용하여 학생들의 이해를 돕도록 구성되어 있는지를 분석한다. 구체적으로 2015 개정 교육과정의 물리학Ⅱ 교과서에서 개념의 서술, 용어의 사용, 삽화의 표현 등이 학생들의 오개념을 유발하지 않도록 명확하게 구성되어 있는지를 살펴본다. 본 연구의 연구 문제는 다음과 같다.

첫째, 내용의 정확성, 학습의 편의성 측면에서 트랜지스터의 구조에 대한 교과서의 표현은 어떠한가?

둘째, 내용의 정확성, 학습의 편의성, 삽화의 정확성 측면에서 트랜지스터의 증폭 원리에 대한 교과서의 표현은 어떠한가?

셋째, 내용의 정확성, 학습의 편의성 측면에서 트랜지스터의 바이어스 전압에 대한 교과서의 표현은 어떠한가?

2015 개정 교육과정의 물리학Ⅰ 교과서에서는 트랜지스터와 관련된 내용을 다루고 있지 않기 때문에, 본 연구에서는 2015 개정 교육과정의 물리학Ⅱ 교과서 5종을 연구 대상으로 선정하고, 그중에서 트랜지스터를 다루는 단원들만 추출하였다. 분석 대상 교과서들을 구분하기 위해 알파벳 대문자 A-E로 표기하였다1. 2015 개정 교육과정에서 트랜지스터의 내용에 해당하는 성취 기준은 “[12물리Ⅱ02-04] 트랜지스터의 증폭 원리를 이해하고, 저항을 이용하여 필요한 바이어스 전압을 정할 수 있다.”이다. 교과서의 내용이 성취 기준에 도달하기에 적절하게 구성되어 있는지 알아보기 위해 성취 기준으로부터 핵심 개념을 추출하고 핵심 개념에 관한 서술을 살펴본 뒤, 귀납적 범주화 방법을 활용하여 교과서의 서술들에서 공통적 요소를 찾고 주요 분석 내용을 선정했다[17].

분석 기준 설정을 위해 1인의 연구자가 주도적으로 분석 기준을 수립한 후, 현직 교사 2인과 과학 교육 분야 전문가 1인이 분석 기준을 검토하여 분석 기준을 확립하였다. 본 연구의 공동 연구자 2인이 교과서의 내용이 기준에 따라 분석되었는지 확인하였다.먼저 성취 기준에서 ‘트랜지스터의 증폭 원리’와 ‘바이어스 전압’이라는 두 가지의 핵심 내용을 추출하였으나, 협의 과정에서 학생들이 성취 기준에 도달하기 위해서는 필요한 선개념이 있다는 판단 하에 ‘트랜지스터의 구조’를 핵심 내용에 추가하였다. 이에 본 연구의 주요 분석 내용을 ‘트랜지스터의 구조’, ‘트랜지스터의 증폭 원리’, ‘바이어스 전압’으로 확립하였다. 각 내용에서 개념의 서술, 용어의 사용, 삽화의 표현 등이 학생들의 오개념을 유발하지 않도록 명확하게 표현되었는지 분석하였다. 구체적으로 ‘트랜지스터의 구조’에서는 pn접합 다이오드의 원리 설명, 트랜지스터의 작동 방식 및 종류, 다양한 구조의 트랜지스터의 작동 원리에 대한 설명을 구체적으로 살펴보았고, ‘트랜지스터의 증폭 원리’에서는 트랜지스터의 증폭 개념, 트랜지스터 단자의 연결 방식, 트랜지스터 내에서 전하 운반자의 이동, 트랜지스터의 도핑 농도 및 두께, 삽화의 명확성 및 정확성을 살펴보았다. 마지막으로 ‘바이어스 전압’에서는 바이어스 전압의 설명, 범용 dc 바이어스 회로의 설명, 트랜지스터 증폭 회로에서 입/출력에 대한 설명을 살펴보았다.

1. 트랜지스터의 구조

트랜지스터는 크게 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)와 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)로 나눌 수 있다. 양극성 접합 트랜지스터는 양공과 전자 모두를 전하 운반자로 사용하는 반면에, 전계 효과 트랜지스터는 단극성으로 양공과 전자 중 하나를 전하 운반자로 사용한다. 두 유형의 트랜지스터 모두 사용자가 다른 신호로 전류를 제어할 수 있다는 공통점이 있지만, 전류를 제어하는 신호가 양극성 접합 트랜지스터에서는 전류인 반면 전계 효과 트랜지스터에서는 전압이라는 차이점이 있다. 트랜지스터의 유형은 크게 2가지로 나눌 수 있지만, 트랜지스터의 기본 구조의 바탕이 되는 것은 다이오드로 동일하다. 트랜지스터의 기본 구조와 작동 원리를 설명하기 위해 pn접합 다이오드로부터, p형, n형 반도체의 전하 운반자, pn접합 사이의 공핍층, 순방향 바이어스와 역방향 바이어스 등의 개념들이 필요하다. 따라서 트랜지스터의 작동 원리를 이해하려면 다이오드의 원리에 대해서 잘 이해하고 있어야 하며, 트랜지스터의 원리를 설명하기에 앞서 다이오드의 원리를 먼저 설명하는 것이 필수적이다. Table 1은 현행 교과서에서 설명하고 있는 트랜지스터의 구조에 관한 내용을 분석한 것이다.

Table 1 . Structure of transistors described in high school physics textbooks. ◯: satisfactory contents, ×: unsatisfactory contents, ‘ - ’: missing contents.

CategoryContentsABCDE
DescriptionExplanation of a pn junction diode×××××
Type of transistors used to explain how transistors operateBJTBJTBJTBJTBJT
Type of transistors used to explain how BJTs operatenpnpnpnpnbothnpn
When only one type of BJTs is described, additional explanation that pnp and npn BJTs are similar in principle but have the opposite current directions and voltage polarities××-×


Table 1에서 볼 수 있는 것처럼 모든 물리학Ⅱ 교과서에서는 pn접합 다이오드의 원리를 설명하지 않고 있었다. 앞에서 언급했듯이 다이오드는 트랜지스터의 이해에 필수 개념이기 때문에 다이오드와 트랜지스터의 개념을 함께 다루는 것이 트랜지스터를 학습하는 데 있어서 더 효과적이다. 하지만 현재 2015 개정 교육과정에서는 반도체와 다이오드의 개념은 물리학Ⅰ에서, 트랜지스터 개념은 물리학Ⅱ에서 분리해서 다루고 있다. 이런 구성에서는 학생들이 1년 전에 배운 다이오드의 원리에 대한 내용을 다시 떠올려가며 트랜지스터 학습에 활용해야 하기 때문에 학생들의 이해에 어려움을 줄 수 있다. 또한, 2015 개정 교육과정에서는 물리학Ⅰ이 물리학Ⅱ의 선수 과목이 아니므로 교과 선택에 따라 학생들의 이해도에 차이가 클 것으로 생각한다. 이에 따라, 다이오드와 트랜지스터 내용 요소를 함께 묶어 물리학Ⅰ이나 물리학Ⅱ로 이동시켜 내용을 재구성하는 것이 학생들의 이해에 도움이 될 것이라 생각한다.

한편 트랜지스터의 작동 원리를 설명하기 위한 구체적인 예시로, 모든 교과서에서 전계 효과 트랜지스터가 아닌 양극성 접합 트랜지스터를 사용하였다. 전계 효과 트랜지스터는 높은 집적도와 생산의 용이성으로 인해 양극성 접합 트랜지스터보다 상용화되어 있다. 물리학Ⅱ를 학습하는 대상이 과학 기술과 관련된 분야의 진로를 선택하는 학생이라는 점과 학습자가 배운 내용을 현장에서 활용할 수 있도록 하는 실용성을 고려한다면[12], 현재 많이 사용되고 있는 트랜지스터의 유형을 학습하는 것이 학생들에게 더 도움이 될 것이다. 하지만, 현행 교과서에서는 상용화된 전계 효과 트랜지스터를 다루고 있지 않는 상황이다. 반면에 대학생이 사용하는 일반물리학 교재에서는 “트랜지스터는 입력신호를 증폭시킬 수 있는 세 개의 단자로 이루어진 반도체 소자이다. (중략) 트랜지스터에는 다양한 종류가 있지만 여기서는 MOSFET이라 불리는 특정한 FET에 대해 알아본다. MOSFET은 현대 반도체 산업을 일으킨 핵심 소자이다.” 라고 하며 트랜지스터의 원리와 구조를 전계 효과 트랜지스터를 이용해 설명하고 있다[18]. 양극성 접합 트랜지스터에 비해 전계 효과 트랜지스터는 게이트의 전압으로 인해 소스와 드레인 사이 물질의 전기 전도도를 변화시켜 작동하기 때문에 쉽게 시각화할 수 있어 작동 원리를 설명하기 용이하다는 장점이 있다.

교과서에서 예시로 사용하는 양극성 접합 트랜지스터의 세부적인 유형도 두 가지로 나눌 수 있었다. 교과서 5종 중 3종(A, C, E)은 npn형, 1종(B)은 pnp형, 나머지 1종(D)은 두 유형 모두를 사용하여 양극성 접합 트랜지스터의 원리에 대해 설명하고 있었다. npn형과 pnp형은 전압의 극성과 전류의 방향을 제외하고는 비슷한 작동원리를 가지고 있기 때문에 4종의 교과서들에서 하나의 유형만을 소개하고 있는 것으로 보인다. 다만, C 교과서는 하나의 유형만을 소개하는 것에 그치지 않고 다른 유형의 작동 원리가 극성과 전류의 방향을 제외한 나머지는 비슷하다는 사실을 설명하고 있다. 교과서 분량의 제한으로 인해 트랜지스터의 두 가지 유형 모두를 소개하는 것은 어렵겠지만, C 교과서처럼 한 가지 유형을 소개하면서 다른 유형과의 차이점을 추가로 언급한다면 학생들의 이해에 도움이 될 수 있을 것으로 보인다. 하지만 npn형과 pnp형 중 하나의 유형만을 소개해야 한다면, 반도체 내에서 전자가 양공보다 빠르게 움직여 npn형이 pnp형보다 더 많이 사용되고 있으므로 npn형의 작동 원리를 설명하는 것이 학생들에게 더 도움이 될 것이라 생각된다.

2. 트랜지스터의 증폭 원리

트랜지스터의 기능 중 가장 중요한 기능은 ‘전기 신호의 증폭’이며 따라서 ‘트랜지스터의 증폭 원리’는 트랜지스터의 가장 핵심적인 개념이라고 할 수 있다. 하지만 학생들이 트랜지스터를 배우기 전에는 증폭과 관련된 내용을 배우지 않기 때문에, 학생들의 입장에서 증폭의 개념은 생소할 수 있다. 트랜지스터의 증폭은 대개 전류의 증폭을 의미하는데, 베이스 전류의 작은 변화가 컬렉터 전류의 큰 변화로 나타난다. 여기서 학생들이 증폭을 하나의 전류 자체의 세기가 증가하는 것으로 이해하여 에너지 보존과 상충된다고 생각하는 상황에 이를 수 있으므로 이와 관련된 상세한 설명이 필요하다. Table 2는 현행 교과서에 서술된 트랜지스터의 증폭 원리에 대한 설명을 분석한 것이다.

Table 2 . Amplification in transistors described in high school physics textbooks ◯: satisfactory contents, △: partially
satisfactory contents, ×: unsatisfactory contents, ‘ - ’: missing contents.

CategoryContentsABCDE
DescriptionExplanation of amplification in transistors
Explanation of how to connect a transistor as an amplifier in a circuit
Explanation of the motion of majority charge carriers inside a transistor acting as an amplifier
Making use of appropriate terms in the situation where majority charge carriers move due to an external voltage×××
Accurate description of the direction of electron flow inside a transistor and the role of external voltage××
Explanation of the doping concentration of the emitter, base, collector region of a transistor in terms of the flow of majority charge carrier××
Explanation of the thickness of the base region in terms of the flow of majority charge carrier×
IllustrationAccurate presentation for flow of majority charge carriers inside a transistor acting as an amplifier×
Clear distinction between electrons and holes××-
Expressing doping concentration of the emitter and collector××-


Table 2에서 볼 수 있는 것처럼 모든 교과서에서 트랜지스터의 증폭을 설명하고 있었다. 증폭의 개념과 관련하여 교과서들에서는 대체로 작은 베이스 전류를 흐르게 하면 큰 컬렉터 전류가 흐른다고 서술하고 있었다. 하지만 트랜지스터는 전기 신호를 증폭시키는 소자이므로, 트랜지스터에서 증폭을 제대로 설명하기 위해서는 트랜지스터가 단순히 흐르고 있는 전류의 세기를 크게 한다는 설명보다는, 입력부 전류의 작은 변화가 출력부 전류의 큰 변화를 일으키는 장치라는 설명이 필요하다. 그러나 전류의 변화 정도에 초점을 맞추어 베이스 전류의 미세한 변화에도 컬렉터 전류가 크게 변한다는 것을 설명하는 교과서는 D 교과서뿐이었다. 이에 Table 2에는 D 교과서를 제외한 모든 교과서는 세모로 표시했다. 한편, 증폭 개념을 설명하는 과정에서 D와 E 교과서는 베이스 전류를 입력 전류로, 컬렉터 전류를 출력 전류로 지칭하고 있다. 트랜지스터에서는 이미터, 베이스, 컬렉터 단자 중 입·출력 단자가 무엇이냐에 따라 증폭 회로의 종류가 결정된다. 하지만, 입·출력 단자에 대해 언급하지 않은 상황에서 베이스 전류와 컬렉터 전류를 각각 입력 전류와 출력 전류로 단정적으로 설명하는 방식은 ‘트랜지스터 증폭회로의 입력 단자는 베이스이고, 출력 단자는 컬렉터이다.’라는 오개념을 유발할 수 있다.

트랜지스터에 외부 전압을 걸어주는 다양한 방법이 있지만, 트랜지스터가 증폭의 기능을 수행하기 위해서는 Fig. 1과 같이 이미터(E)-베이스(B) 사이에는 순방향 바이어스를, 베이스(B)-컬렉터(C) 사이에는 역방향 바이어스를 걸어주어야 한다. A 교과서를 제외한 4종의 교과서에서는 모두 이미터와 베이스에는 순방향으로 전압을 걸고, 베이스와 컬렉터에는 역방향으로 더 높은 전압을 걸어준다는 내용으로 바이어스 연결 방법을 설명하고 있다. 하지만 A 교과서에서는 이미터-베이스 접합에 순방향 전압을 걸어주어야 함을 설명했지만, 컬렉터와 베이스 접합에서의 전압은 언급하지 않고 “높은 양의 전압이 컬렉터에 걸린다.” 라고만 설명했다. 이에 따라 학생들이 베이스-컬렉터 접합에는 역방향 전압이 걸린다는 것을 삽화를 통해 파악해야 하기에 A 교과서의 경우는 세모로 표시했다. 한편, B 교과서에서는 트랜지스터의 3가지 단자에 대해 “트랜지스터 중앙의 좁은 영역을 베이스, 베이스와 순방향 전압을 걸어주는 영역을 이미터, 역방향 전압을 걸어주는 영역을 컬렉터라고 한다.” 라고 설명한다. 이러한 바이어스 방식은 트랜지스터가 증폭 기능을 할 때만 유효한 것이므로 트랜지스터의 각 단자에 대한 소개를 정정할 필요가 있다. 또한 트랜지스터에는 이미터, 베이스, 컬렉터라는 3가지 단자가 있으며, 트랜지스터가 증폭 작용을 하기 위해서는 베이스와 이미터에 순방향 전압을 걸어주고, 베이스와 컬렉터에 역방향 전압을 걸어주어야 한다고 증폭 기능에 대한 조건을 추가로 설명해 주는 것이 더 적절하다고 생각한다.

Figure 1. (Color online) Transistor circuits as an amplifier presented in textbook D.

모든 교과서에서 이미터의 다수 전하 운반자의 운동에 대한 설명으로 트랜지스터의 증폭 원리를 설명하였다. 다만, A와 B 교과서에서는 전하 운반자가 컬렉터로 이동하는 과정은 설명하나, 베이스 영역에서 이미터와 베이스의 다수 전하 운반자가 재결합을 한다는 설명은 누락되어, A와 B 교과서는 세모로 표시했다. 트랜지스터의 증폭 원리를 이해하기 위해서는 트랜지스터 내부에서 전하 운반자의 운동을 살펴보는 것이 필수적이다. Figure 2(a)와 (b)는 C와 D 교과서에 제시된 증폭 기능을 하는 npn 트랜지스터 내부에서 전자의 흐름을 도식적으로 나타낸 그림이다. 트랜지스터의 이미터-베이스 사이에 순방향 바이어스를, 컬렉터-베이스 사이에 강한 역방향 바이어스를 걸어주면, 이미터의 전자들은 베이스로 알짜 흐름을 갖게 되지만 컬렉터에서 베이스로 들어가는 전자 흐름은 거의 없게 된다. 또한 이미터에서 방출되는 전자 중 일부의 전자들은 베이스의 양공과 재결합하면서 베이스 전극을 빠져나가게 되고, 재결합하지 못한 전자들은 높은 전압에 의해 컬렉터로 들어가게 된다. 따라서 베이스에는 작은 전류가 흐르고 컬렉터에는 큰 전류가 흐르게 되어, 트랜지스터에서 전류가 어떻게 증폭되는지 이해할 수 있다.

Figure 2. (Color online) Flow of electrons inside an npn BJT presented in textbook (a) C (b) D.

트랜지스터의 증폭 원리를 서술하는 부분에서 C, D, E 교과서가 pn접합에 순방향 혹은 역방향 바이어스를 걸어주었을 때 전하 운반자들이 이동하는 모습을 ‘확산’으로 표현하였다. 하지만 확산은 pn접합에 외부 전압이 가해지지 않았을 때, 다수 전하 운반자가 밀도가 높은 쪽에서 밀도가 낮은 쪽으로 이동하는 것을 의미하는데, 이 상황에서는 외부 전압이 가해지므로 ‘확산’이라는 단어보다는 ‘이동’으로 표현하는 것이 더 적절해 보인다. 이에 비해 A와 B 교과서는 트랜지스터에 바이어스를 걸어주었을 때의 전하 운반자들의 흐름을 ‘이동’으로 적절하게 표현하고 있었다. 반도체를 학습하는 학생 중 일부는 확산의 의미를 혼동하여 전자가 음극에서 양극으로 이동하는 상황을 확산으로 오해하기도 한다[19]. 그렇기에 상황에 맞는 적절한 용어를 사용하여 학생들의 오개념이 생기지 않도록 주의할 필요가 있다. 또한, D와 E 교과서에서 npn형 트랜지스터의 증폭 원리를 다룰 때 컬렉터에 걸린 양극에서 양공이 공급된다고 서술하고 있다. 양공은 도핑 반도체에서의 전하 운반자로, 전자가 이동해서 남은 빈 공간을 의미하고, 이것이 곧 양전하처럼 행동하여 양의 입자로 간주하는 것이다. 따라서 양극에서 양공을 공급한다는 서술은 수정할 필요가 있다. A, B, C 교과서에서 서술한 것처럼 컬렉터 쪽의 높은 전위에 의해 전자가 컬렉터 쪽으로 이동하여 전류가 생성된다고 설명하는 것이 바람직해 보인다.

트랜지스터에서 높은 증폭이 일어나기 위해서는, 이미터에서 다수 전하 운반자의 수가 많아야 하고, 베이스에서 재결합에 사용할 수 있는 다수 전하 운반자의 수는 적어야 한다. 즉, 이미터는 높은 농도로 도핑되고, 베이스는 낮은 농도로 도핑되며 얇게 제작해야 한다. C와 D 교과서는 트랜지스터의 영역별 도핑 농도를 소개하고 있지만, 각 영역의 도핑 농도를 다르게 해야 하는 이유는 제시되지 않아 세모로 표시하였다. 또한 D 교과서는 이미터와 컬렉터의 도핑 정도가 다르다고만 언급하고 있어 세모로 표시하였다. A와 B 교과서에는 영역별 도핑 농도에 대해 언급이 없다. 한편, 베이스 층을 얇게 제작해야 한다는 것을 설명한 교과서는 4종(A, B, D, E)이었으며, 그중에서도 D 교과서만이 베이스가 얇게 제작된 이유를 그렇지 않을 때와 비교하며 자세하게 설명하였다. B 교과서는 단지 베이스 두께가 얇다고만 언급하고 그 이유는 설명하고 있지 않아 세모로 표시하였다. 대부분의 교과서가 베이스의 도핑 농도가 작고, 두께는 얇아야 한다는 사실을 구체적인 이유 설명 없이 제시만 하고 있었는데, 이는 정성적인 설명으로 쉽게 이해 가능하므로 이유를 함께 제시한다면 학생들에게 더 도움이 될 것이라 생각한다.

트랜지스터의 증폭 원리를 삽화와 함께 설명한 교과서는 4종(A, B, C, D)이었다. Figure 2(a)는 교과서 C에서 제시된 삽화로, 전자의 이동으로 증폭을 표현하였으나 일부 전자들이 베이스 전극을 통해 빠져나가면서 베이스 전류를 생성함을 표현하지 않고 있어 세모로 표시했다. 한편, 전자와 양공의 표현과 관련하여 C 교과서와 D 교과서는 삽화 속에서 전자와 양공의 구별이 명확한 반면, A와 B 교과서는 그렇지 못하다. 예를 들어 Fig. 3(a)의 A 교과서의 삽화에서 속이 채워진 점과 속이 빈 동그라미가 각각 무엇을 의미하는지 설명이 나와 있지 않아서 학생들이 이것들이 전자와 양공 중 무엇인지 파악해야 하는 어려움이 있다. 그림의 화살표를 고려하지 않는다면, 속이 채워진 점은 전자, 속이 빈 동그라미는 양공이라고 생각할 수 있지만, 그렇게 되면 베이스 영역에 있는 속이 빈 동그라미들의 화살표 방향이 반대로 표시되어야 한다. 대신 그림의 화살표로 전자와 양공을 유추해 본다면 Fig. 3(a)에 그려진 것들은 모두 전자가 되어야 하고, 속이 채워진 원은 다수 전하 운반자, 속이 빈 원은 소수 전하 운반자를 표현한다고 생각할 수 있다. 하지만 이러한 유추는 트랜지스터의 원리를 이해한 후에나 가능한 것으로 일반적으로 속이 빈 동그라미는 양공을 표현한다는 것을 생각해보면 학생들이 Fig. 3(a)의 표현에 대해 오해를 할 수 있다. Figure 3(b)는 B 교과서의 삽화로, 제목이 “트랜지스터에서 양공의 이동”이다. 하지만, 삽화 속 베이스의 점은 전자를 의미한다. 그렇기에 삽화의 제목에 맞게 베이스 영역도 양공으로 표현하거나, 제목을 “트랜지스터에서 다수운반자의 이동”으로 수정할 필요가 있다.

Figure 3. (Color online) (a) Flow of charge carriers inside an npn BJT presented in textbook A. (b) Flow of majority charge carriers inside a pnp BJT presented in textbook B. (c) Majority charge carriers inside BJTs presented in textbook D.

한편, Fig. 2(a)와 Fig. 3(b)에서도 알 수 있듯이, B와 C 교과서에서는 이미터, 컬렉터의 도핑 농도가 다름을 전하 운반자의 수를 달리하여 표현하였다. Figure 3(c)는 D 교과서에서 제시된 트랜지스터 내부의 다수 전하 운반자에 대한 삽화로, 이미터와 컬렉터 영역의 전하 운반자 수를 같게 표현하므로 각 영역의 도핑 농도를 삽화에 반영하지 않았음을 알 수 있다. A 교과서는 각 영역에 대한 도핑 농도를 기술하지 않아 삽화에도 반영되지 않을 수 있지만, D 교과서는 이미터와 컬렉터의 도핑 농도가 다르다는 사실을 교과서 내용에서 기술했기에 삽화에도 관련 내용이 반영되는 것이 더 적절하다고 생각한다. 마지막으로 교과서 E는 삽화 없이 글로만 증폭 원리를 설명했는데, 이러한 설명으로는 학생들이 구체적인 상황을 이해하기 어려워할 수도 있기에 관련 삽화를 넣는 것이 좋을 것으로 판단한다. 삽화는 글만으로는 설명하기 어려운 내용을 쉽게 제시하며 학습 내용에 대한 이해와 기억을 향상시키기 때문에 학생들의 이해도 향상에 큰 도움이 된다[20]. 하지만 교과서 E에는 증폭 원리에 대한 삽화가 아예 제시되어 있지 않아 ‘-’으로 표기했다.

3. 바이어스 전압

저항을 이용하여 바이어스 전압을 정하기 위해서는 바이어스 전압의 개념, 범용 dc 바이어스 회로의 이해, 증폭 회로에서 입/출력에 대한 이해가 필수적이다. Table 3에 현행 교과서에서 위 내용들을 어떻게 다루고 있는지 제시하였다.

Table 3 . Description of transistor bias voltage presented in high school physics textbooks ◯: satisfactory contents, △: partially satisfactory contents, ×: unsatisfactory contents.

CategoryContentsABCDE
DescriptionExplanation of transistor bias voltage×
Explanation of the universal dc bias circuit×××
Explanation of input/output terminals used in transistor amplifier circuit××××


바이어스 전압은 트랜지스터가 신호를 증폭할 때 신호가 왜곡되지 않고 증폭이 되도록 걸어주는 직류 전압을 의미한다. 여기서 신호가 왜곡되지 않는다는 것은 입력 신호와 출력 신호의 파형 사이에 차이가 없음을 말한다.

B와 C 교과서에서는 바이어스 전압을 입력 신호의 왜곡 없이 출력 신호가 나오도록 하는 전압으로 적절히 설명하고 있다. D와 E 교과서에서는 바이어스 전압을 트랜지스터가 원활히 작동하도록 걸어주는 전압으로 소개하고 있는데, 바이어스 전압으로 인해 출력 신호가 왜곡 없이 나온다는 것을 뒤에 이어지는 설명을 읽고 파악해야 하므로 세모로 표시하였다. A 교과서에서는 바이어스 전압을 컬렉터와 이미터 사이에 전류가 흐르는 스위칭 작용이 일어나기 위해서 베이스에 걸어주는 전압으로 설명하였다. 바이어스 전압을 정할 때 베이스와 이미터 접합부의 공핍층에 의한 전위 장벽을 고려해야 하므로 스위칭 작용에서 바이어스 전압을 도입할 수도 있지만, 교육과정의 성취 기준이 트랜지스터의 증폭 원리를 이해하고 필요한 바이어스 전압을 정하는 것이므로, 바이어스 전압은 트랜지스터의 스위칭 작용보다는 증폭 작용에서 신호가 왜곡되지 않고 증폭되도록 걸어주는 직류 전압으로 수정하는 것이 더 적절하다. 추가로, B와 E 교과서에서는 바이어스 전압이 걸리지 않았을 때와 걸렸을 때의 교류 신호 변화를 비교하면서 바이어스 전압을 설명하였다. 해당 교육과정의 순서상 교류 신호가 트랜지스터 단원의 뒷부분인 ‘파동과 물질의 성질’ 단원에서 다뤄지는 만큼 교류 신호를 간단히 도입한 후 바이어스 전압을 설명하는 것이 필요해 보인다.

저항을 이용해 필요한 바이어스 전압을 정하기 위해서는 모든 트랜지스터 증폭 회로에서 기본이 되는 범용 dc 바이어스 회로(universal dc bias circuit)에 대한 이해가 필수적이다. Figure 5(a)에 제시된 범용 dc 바이어스 회로는 모든 증폭 회로의 기본이 되는 회로로 신호가 왜곡되지 않고 증폭되는 영역에서 트랜지스터가 작동하도록 고안된 회로이다. 모든 트랜지스터 증폭 회로는 이 회로에서 입력 신호를 받는 부분과 출력 신호를 내보내는 부분을 추가한 회로이다. 범용 dc 바이어스 회로에서 직류 전원 장치의 전압은 Vcc이고, 저항값이 R1R2인 저항에 의해 전압이 분배된다. 또한 컬렉터와 이미터 단자에 저항값이 RcRe인 저항이 연결된다. dc 바이어스 회로에서 제시된 저항값, 전원 장치의 전압, 트랜지스터의 증폭률을 이용하여 회로를 분석하면 작용점(operating point)을 찾을 수 있고, 입력되는 교류 신호의 진폭을 고려하여 바이어스 전압을 결정한다. 교과서 분석 결과, 범용 dc 바이어스 회로에 대한 설명은 모든 교과서에 없었다. C와 E 교과서에서는 범용 dc 바이어스 회로에 대한 설명없이 Fig. 5(b) 및 Fig. 4(b)와 같이 삽화로 제시하고 있어 세모로 표시하였다. 트랜지스터 증폭 작용을 학습한 학생들 중 일부는 트랜지스터의 증폭 회로 분석 과정에서 교류 신호의 진폭에 따른 바이어스 전압을 결정하지 않고 범용 dc 바이어스 회로의 분석으로만 증폭 회로 분석을 끝마치는 오개념을 보이기도 하는데[21], 증폭 회로 분석이 작용점을 찾는데 그치지 않고 입력되는 교류 신호의 진폭을 고려하여 바이어스 전압이 결정된다는 것을 명시해 주는 것이 적절하다고 생각한다.

Figure 4. (Color online) (a) Universal dc bias circuit (b) Universal dc bias circuit presented in textbook C.

Figure 5. (Color online) (a) Transistor circuits as an amplifier presented in textbook E (b) Voltage divider in common emitter amplifier presented in textbook E.

트랜지스터의 증폭 회로에서 입력 신호를 받을 때 두 단자를 사용하고 출력 신호를 내보낼 때 두 단자를 사용하기 때문에 트랜지스터의 세 개의 단자 중 하나는 입/출력시 공통으로 사용해야 한다. 트랜지스터에서 공통으로 사용되는 단자가 무엇인지에 따라 세 가지의 증폭 회로로 나뉘게 된다. 입력 신호를 베이스와 이미터 단자 사이에서 받고 컬렉터와 이미터 단자 사이로 출력 신호를 내보내는 회로를 공통 이미터 증폭 회로, 입력 신호를 베이스와 컬렉터 단자 사이에서 받고 이미터와 컬렉터 단자 사이로 출력 신호를 내보내는 회로를 공통 컬렉터 증폭 회로, 입력 신호를 이미터와 베이스 단자 사이에서 받고 컬렉터와 베이스 단자 사이로 출력신호를 내보내는 회로를 공통 베이스 증폭 회로라고 한다. 일반적으로 증폭 회로에서 입력 임피던스는 클수록 출력 임피던스는 작을수록 증폭이 잘 일어나고, 증폭 작용에서 발생하는 전압 이득과 전류 이득을 고려하여 트랜지스터의 입/출력 단자를 결정한다. 공통 이미터 증폭회로는 높은 수준의 입력 임피던스를 가져 중간 수준에서부터 높은 수준의 전압 이득과 전류 이득을 가진다. 공통 컬렉터 증폭 회로는 중간 수준에서부터 높은 수준의 입력 임피던스와 낮은 수준의 출력 임피던스를 가져 중간 수준에서부터 높은 수준의 전류 이득을 가지지만 전압 이득은 낮다. 마지막으로 공통 베이스 증폭 회로는 낮은 수준의 입력 임피던스를 가져 매우 높은 수준의 전압 이득을 가지지만 전류 이득은 낮다. 교과서 분석 결과, E 교과서를 제외한 4종(A, B, C, D)의 교과서에서는 증폭 회로를 다루지 않았다. E 교과서에서는 전기 회로에서 입/출력 신호를 나타낼 때 입/출력을 공통으로 사용하는 단자에 따라 증폭 회로의 종류를 설명하지만 Fig. 4(a)를 공통 이미터 회로로 잘 못 소개하고 있다. Figure 4(a)에서 입력 신호와 출력 신호를 받는 단자가 정해져 있지 않기 때문에, 이 회로를 공통 이미터 회로라고 하기엔 무리가 있다. 반면에 Fig. 4(b)와 같이 전압 분할을 설명할 때 제시한 공통 이미터 회로에서는 입/출력 단자가 표현되어 있다. 동일한 공통 이미터 회로에서 입/출력 단자가 표현된 삽화도 있고 누락된 삽화도 있기에 세모로 표시하였다. 일관성 있는 삽화을 위해 Fig. 4(a)에도 Fig. 4(b)와 같이 입/출력을 표현하는 것이 적절해 보인다.

본 연구는 2015 개정 교육과정의 물리학Ⅱ 교과서에 제시된 트랜지스터에 대한 내용이 성취 기준에 도달할 수 있도록 구성되어 있는지를 살펴보기 위해 진행되었다. 트랜지스터의 구조, 트랜지스터의 증폭 원리, 바이어스 전압에 대한 내용이 필수적인 물리 개념을 포함하고 있는지, 학습자들이 쉽게 이해할 수 있도록 서술되어 있는지, 관련 삽화가 명확하고 정확한지를 분석하였다. 분석 결과, 교과서에는 성취 기준에 도달하기 위해 필요한 내용의 일부가 누락되어 있었고, 특히 트랜지스터의 증폭 원리를 설명하는 과정에서 필수적인 물리 개념이 누락되거나 다소 부정확한 용어를 사용한 부분이 있었다. 또한 트랜지스터의 기본이 되는 pn접합의 설명이 누락되어 있어 학습자들이 이해하기 어려운 측면이 있고, 일부 삽화에서 다수의 부정확한 표현이 발견되었다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 다음과 같이 본 연구의 시사점을 제시하고자 한다.

본 연구는 2015 개정 교육과정 물리학Ⅱ 교과서의 트랜지스터에 대한 내용이 교육과정에 제시된 성취기준에 도달할 수 있도록 구성되어 있는지를 살펴보기 위해 진행되었다. 트랜지스터의 구조, 트랜지스터의 증폭 원리, 바이어스 전압을 대범주로 설정하고, 해당 내용에서 필수적인 물리 개념을 포함한 정확하고 이해가 용이한 기술, 삽화의 명확성 및 정확성 등의 세부적인 분석 기준을 세워 교과서 내용을 분석하였다. 분석 결과, 물리학Ⅱ 교과서에 제시된 내용들 중 성취 기준에 도달하기 위해 필요한 내용의 일부가 누락되어 있었고, 특히 트랜지스터의 증폭 원리를 설명하는 과정에서 필수적인 물리 개념이 누락되거나 다소 부정확한 용어를 사용한 부분이 있었으며 삽화 중의 일부가 부정확했다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 다음과 같이 본 연구의 시사점을 제시하고자 한다.

첫째, 트랜지스터의 원리를 설명하기 위해 필요한 내용 요소 기준을 확립하고, 이에 따라 교과서를 서술할 필요가 있다. 본 연구의 연구 결과 일부 교과서들에서는 트랜지스터의 원리를 설명하는데 필수적인 내용이 누락되어 있었다. 예를 들어 트랜지스터의 입/출력 단자에 대한 설명없이 베이스 전류와 컬렉터 전류를 각각 입/출력 전류로 단정지어 설명한다거나, 트랜지스터의 도핑 농도 및 두께 등 트랜지스터의 구조에 대한 정성적 설명없이 단편적으로 트랜지스터를 도입한다거나, 범용 dc 바이어스 회로에 대한 설명없이 전압 분할을 이용하여 바이어스 전압을 결정해야 한다고 설명하고 있었다. 특히 현행 교육과정의 성취기준은 회로의 저항을 이용하여 필요한 바이어스 전압을 정하는 것이므로 범용 dc 바이어스 회로에 대한 이해가 필수적이다. 따라서 트랜지스터의 원리 설명에 있어 필수적인 내용 요소를 정하고 교과서를 서술할 때 이러한 내용 요소들이 누락되지 않도록 노력하는 것이 중요하다.

둘째, 트랜지스터의 증폭 원리를 설명하는 과정에서 상황에 맞는 정확한 용어를 사용할 필요가 있다. 예를 들어 전하 운반자의 확산은 pn접합에 외부 전압이 가해지지 않았을 때 전하 운반자가 높은 밀도 쪽에서 낮은 밀도쪽으로 이동하는 현상을 나타내는 용어이나, 외부 전압이 가해진 상황에서의 전하 운반자들의 이동 모습도 확산으로 표현하는 교과서가 있었다. 또 바이어스 전압의 정의를 명확히 설명하지 않고 ‘적절한 바이어스 전압’, ‘원활히 작동’ 등의 표현을 사용하여 불분명하게 설명하는 교과서들이 있었다. 트랜지스터의 원리와 작동은 학생들에게 생소한 개념이므로 부정확하고 불분명한 설명이 학생들의 오개념을 유발하지 않도록 용어의 사용과 설명에 주의할 필요가 있다.

셋째, 삽화 구성에 있어 학생들이 삽화에서 설명하려는 내용을 오해 없이 이해할 수 있도록 고려할 필요가 있다. 예를 들어 삽화를 이용하여 트랜지스터의 증폭 원리를 설명한 교과서는 4종(A, B, C, D)이었는데 모두 pn접합의 공핍층을 표현하지 않았으며, 일부 삽화는 여러 가지 방식으로 해석할 수 있는 여지가 있어 수정이 필요해 보인다. 삽화는 추상적인 물리 내용을 구체적인 그림을 통해 이해할 수 있다는 장점이 있는 반면, 물리적 내용을 잘못 묘사한 삽화는 학생의 오개념을 쉽게 유발할 수 있으므로 삽화를 구성할 때부터 설명하려는 내용이 제대로 반영되도록 주의할 필요가 있으며, 구체적인 설명과 함께 삽화가 제시되는 것이 적절하다고 생각한다.

넷째, 트랜지스터의 원리를 설명하는 과정에서 더 상용화된 트랜지스터 유형을 이용하여 설명할 필요가 있다. 현재는 전계 효과 트랜지스터가 상용화되어 있는데, 모든 교과서에서 전계 효과 트랜지스터가 아닌 양극성 접합 트랜지스터를 이용하여 작동 원리 등을 설명하고 있었다. 또한 현재 양극성 접합 트랜지스터 중에서도 npn형이 더 상용화되어 있음에도 불구하고 pnp형만을 소개하는 교과서도 있었다. 물리학Ⅱ를 학습하는 학생들은 향후 과학기술과 관련된 분야의 진로를 선택할 것으로 기대되므로, 현재 많이 사용되고 있는 트랜지스터의 유형으로 구조와 원리를 설명하는 것이 학생들에게 더 도움이 될 것이라 판단된다.

다섯째, 교육과정 및 교과서 내용의 재구성이 필요해 보인다. 2015 개정 교육과정에서는 다이오드의 내용이 물리학Ⅰ에 편성되어 있어 물리학Ⅱ에서 다뤄지지 않고 있다. 하지만 물리학I이 물리학II의 선수 과목이 아니므로 트랜지스터의 내용 이해를 돕기 위해 트랜지스터와 다이오드를 함께 다룰 필요가 있다. 또한 교과서의 내용이 트랜지스터의 유형을 학습하고 트랜지스터 내 전하 운반자의 운동으로 트랜지스터의 증폭 작용을 이해하는 부분만 강조하고, 학생들이 “저항을 이용하여 필요한 바이어스 전압을 정할 수 있다.”는 성취 기준에 도달하기에는 힘들어 보였다. 학생들이 성취기준을 달성하도록 돕기 위해서는 가장 먼저 트랜지스터의 기본이 되는 pn접합 다이오드에 대해 숙지하게 한 후, 트랜지스터의 구조와 증폭 원리를 학습하고, 범용 dc 바이어스 회로를 다루는 순서로 교과서 내용이 재구성될 필요가 있다.

1본 연구에서 분석한 교과서들의 서지 사항은 다음과 같다.

A: Y. M. Kim et al., High School Physics II (Kyohaksa, 2018).

B: S. J. Kim et al., High School Physics II (Miraen, 2018).

C: J. W. Son et al., High School Physics II (Visang, 2018).

D: S. W. Kim et al., High School Physics II (Jihaksa, 2018).

E: N. H. Kang et al., High School Physics II (Chunjae, 2018).

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