[반도체 이야기] 8. 트렌지스터(Transistor)

 

 

P형 반도체와 N형 반도체 둘을 접합하여 다이오드를 만든다고 하였지요.

이러한 PN접합을 하나 더 추가하여 접합을 두번으로 늘리면 어떻게 될까요?

 

PNP 접합이나 NPN 접합의 두가지 형태를 만들 수 있습니다.

이렇게 세부분의 반도체 영역을 가지는 반도체 소자가 트렌지스터(transistor)입니다.

우리가 전자제품을 뜯어서 안을 살펴보면 쉽게 찾아 볼 수 있는 부품인데요. 접속단자인 핀이 길게 3개 나와 있는 검은색의 부품입니다.

트랜지스터는 라디오나 텔레비전 등의 증폭회로에 많이 쓰이는 회로소자입니다.

트랜지스터는 1947년 미국 벨연구소의 윌리엄 쇼클리(Wiliam Shockley), 존 바딘(John Bardeen), 월터 브래튼(Walter Brattain)이 처음으로 발명하였습니다. 그리고 그 공적에 의하여 1956년 최대의 명예인 노벨물리학상이 이들 세 사람에게 수여되었습니다.

진공관을 대체하기 위하여 개발된 트랜지스터는 그 자체가 소형이어서 이를 사용하는 기기는 진공관을 사용할 때에 비하여 소형이 되며, 가볍고 소비전력이 적어 편리합니다. 개발초기에는 잡음·주파수 특성이 나쁘고 증폭도도 충분하지 못하였으나, 그 후 많이 개량되어 대전력을 다룰 수 있는 등의 장점이 생겼으며, 이후 특수한 경우를 제외하고는 급속히 진공관을 대체하였습니다. 증폭작용과 전자신호를 위한 스위치나 게이트로서 역할을 하여 아날로그회로, 디지털회로 등 대다수의 전자회로에 사용됩니다. 집적회로(IC)는 작은 전자칩에 다수의 트랜지스터와 전자회로 구성요소를 집약시켜 놓은 것입니다.

  

 

트랜지스터는 한마디로 말해서 P형 반도체와 N형 반도체를 3개 결합해서 구성한 것이라고 할 수 있습니다.

그 결합 방법은 2개의 P형 반도체 사이에 N형 반도체를 샌드위치처럼 끼운 것을 PNP형 트랜지스터, 2개의 N형 반도체 사이에 P형 반도체를 끼운 것을 NPN형 트랜지스터라고 합니다.
그림에서 3개의 단자 B, C, E는 각각 베이스(base), 컬렉터(collector), 이미터(emitter)라고 불려지고 있습니다. E로 표시되는 이미터에서는 총 전류가 흐르게 되고 얇은 막으로 된 베이스(B)가 전류흐름을 제어하며 증폭된 신호가 컬렉터(C)로 흐르게 됩니다. 또 이미터에 붙어 있는 화살표는 이미터(E), 베이스(B) 간 및 이미터(E), 컬렉터(C) 간의 전류의 방향을 나타냅니다. NPN형인 경우 전류는 이미터 쪽으로 흐르고 PNP형인 경우 이미터에서 나가는 방향으로 전류가 흐릅니다. NPN형이나 PNP형은 이미터, 베이스 간 및 이미터, 컬렉터 간의 전류 방향이 서로 반대로 될 뿐이지 그 동작 원리는 똑 같은 것입니다.

 

트랜지스터의 전원 연결은 이미터(E)쪽에 그려진 화살표 방향으로 전류의 방향이 되도록 연결합니다. 기본적으로 PN접합이 양쪽에 있는 형태이므로 다이오드에서와 같이 접합면에서 전자의 확산에 의해 공핍층이 생기고 결과로 공핍층 전기장이 생겨 더 이상의 전자의 확산을 막게 됩니다.

 

먼저 그림①과 같이 베이스(B)와 이미터(E) 간에 전원이 없이 연결된 상태를 생각해 봅시다. 이 상태에서는 베이스(B), 이미터(E) 간에서의 전압이 P에 (+), N에 (-)가 걸리게 되어 순방향으로 되지만, 컬렉터(C), 베이스(B) 간에서는 전압이 N에 (+), P에 (-)가 걸려 역방향으로 되기 때문에 결과적으로 컬렉터(C), 이미터(E) 간에는 전류가 흐르지 않습니다. 이것은 마치 다이오드에 역전압을 걸어 둔 것과도 같습니다. 즉, 콜렉터(C)의 전자들은 양극으로 몰리고 베이스(B)의 양공들은 음극으로 몰려 트랜지스터 안에서는 전류가 흐르지 않습니다.

여기서 그림②와 같이 베이스(B)와 이미터(E) 간에 순방향 전압을 걸어 준다면, 베이스(B)로부터 이미터(E)에 전류가 흐르게 될 것입니다. 즉, 베이스(B)에는 양극을 접속시키고 이미터(E)에는 음극을 접속시킵니다. 베이스-이미터(BE)를 하나의 다이오드로 생각하면 순방향으로 전압이 걸려 있기 때문에 베이스(B)와 이미터(E) 사이에는 전류가 흐르게 됩니다.

전류가 흐른다는 말은 전하의 운반체가 도선을 따라 계속 움직인다는 말입니다. 베이스-이미터(BE)에 순전압이 걸리면 음전하를 가진 n형의 전자는 p형에 접속된 양극으로 움직이고, 양전하를 가진 p형의 정공은 n형에 접속된 음극으로 움직입니다. 이때 베이스(B)의 폭이 충분히 좁기 때문에 이미터(E)에서 베이스(B)로 움직이던 전자들은 손쉽게 베이스(B)를 지나 콜렉터(C)로 건너갑니다. 콜렉터(C)에는 이미 역전압이 걸려 있기 때문에 일단 전자가 콜렉터(C)로 건너오면 전압 차이 때문에 순식간에 콜렉터(C)에 접속된 양극으로 빨려들어갑니다. 즉 콜렉터(C)에도 전류가 흐르기 시작하는 것입니다. 더군다나 베이스(B)에 적은 양의 전류가 흐르더라도 콜렉터(C)에는 꽤 많은 양의 전류가 흐를 수 있습니다. 베이스-이미터(BE)에 조금만 전류가 흘러도 이미터(E)의 많은 전자가 베이스(B)를 건너 콜렉터(C)로 지나갈 수 있기 때문입니다. 이것이 바로 트랜지스터의 ‘증폭 작용’입니다.

트랜지스터를 이용하면 베이스(B)에 흐르는 적은 양의 전류로 콜렉터(C)에 큰 전류를 흐르게 할 수 있습니다. 증폭을 통해 거의 100배의 전류도 쉽게 유도됩니다. 트랜지스터를 잘 활용하면 베이스(B)에 흐르는 약한 전류로 콜렉터(C)에서 흐르는 큰 전류를 제어할 수 있습니다. 이러한 원리로 트랜지스터는 증폭기로 사용됩니다.

 

보통 트랜지스터는 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor: BJT)를 의미하며 그외에 전기장 효과를 이용한 전기장 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor: FET)가 있습니다.

 

우선 FET과 BJT의 가장 큰 차이점은 극성에 있습니다.

BJT는 Bipolar 즉, 쌍극성이고 FET은 단극성입니다.

BJT는 전자, 정공 두 종류의 캐리어에 의해서(다수 캐리어, 소수 캐리어)전류가 형성되므로 양극성 트랜지스터로 동작합니다. 이에비해 FET는 한 종류의 캐리어(다수 캐리어)에 의해서 전류가 형성되므로 단극성 트랜지스터로 동작합니다.

그리고 동작원리로 보게 되면 BJT는 전류로 전류를 제어하는 반면 FET은 전압으로 전류를 제어합니다.

BJT는 베이스 전류는 컬렉터 전류에 비례하므로 큰 컬렉터 전류를 얻기 위해서 큰 베이스전류가 공급되어야 합니다. 반면에 FET는 게이트 전압에 의한 전계에 의해 동작하므로 입력전류가 필요없습니다.

그리고 단자의 명칭에서 BJT의 컬렉터, 이미터, 베이스에 해당하는 단자는 FET에서는 드레인(D), 소스(S), 게이트(G)라고 하며, FET의 게이트는 BJT의 베이스의 역할처럼 게이트에 인가되는 전압을 조절하여 드레인과 소스사이의 전류흐름을 제어합니다. 어떻게 보면 BJT와 흡사합니다.

또한 FET은 BJT에 비해 작은 면적으로 만들 수 있습니다(집적도가 크다). 전력소모 또한 BJT에 비해 적습니다

그리고 FET가 BJT보다 잘 이용되고 있는 이유가 바로 제조가 간편하다는 것입니다. 따라서 IC제조에 FET가 많이 쓰이게 됩니다.

제조에 필요한 공정 단계 및 사용 장비를 줄일 수 있으므로 생산단가가 싸지기 때문입니다.

소자의 구분으로는 BJT 에서는 NPN, PNP 형태가 있는 반면 FET 에서는 N 채널, P 채널이 있습니다. 전류의 전도 현상에 정공이 참여하는 것을 P 채널이라고 하며 자유전자가 참여 하는 것을 N 채널이라고 합니다.

FET에는 접합형 FET(JFET)와  절연게이트형 FET(MOSFET)가 있습니다.  MOSFET은 현재 마이크로 프로세서와 컴퓨터 메모리와 같은 디지털 집적회로에서 가장 중요한 부품입니다. FET은 BJT 트랜지스터에 비해 스위칭 속도가 빠르기 때문에 증폭용도보다는 전자 스위치 회로에 많이 쓰입니다.

MOS는 'Metal-Oxide Semiconductor'의 약자로 '금속산화막 반도체'를 뜻합니다. 또한 MOSFET는 게이트 전압과 드레인 전류 특성에 따라서 감소형(depletion type)과 증가형(enhancement type)의 두가지 형태로 구분합니다.