[반도체소자] 트랜지스터(Transistor)란 무엇인가

 

 

트랜지스터는 1947년 윌리엄 쇼클리(Willian Shockley), 존 바딘(Jhon Bardeen), 월터 브래튼(Walter Brattain)에 의해서 발명되었습니다. (실제 특허 출원은 1948년에 진행되었고, 1947년 12월 23일에 트랜지스터가 처음으로 동작을 하였다고 합니다.) 초기에 발명된 트랜지스터는 본래 Transistor로 명명되었으나, FET(Field-Effect Transistor)의 발명으로 BJT(Bipolar Junction Transistor)로 이름이 바뀌었다고 합니다.

오늘의 주제는 증폭작용과 스위칭 작용을 하는 트랜지스터입니다. 가급적 비전공자들을 위해서 쉽게 설명하려고 합니다. 따라서 깊이 있는 물리적 현상이나, 수학적 접근은 피하려고 합니다.

우선 트랜지스터를 정의하고, 트랜지스터의 종류와 동작 그리고 많이 사용되고 있는 BJT와 MOSFET을 비교하는 순으로 진행하겠습니다.

 

 

 

 

우선 트랜지스터의 증폭작용을 설명 드리겠습니다.

설명에 앞서, 왼쪽의 심볼은 Bipolar Junction Transistor(쌍극성 접합 트랜지스터)의 심볼입니다. 심볼의 B는 Base의 약자이고, C는 Collector 그리고 E는 Emitter의 약자입니다. 여기서 Collector는 전자를 모은다고 하여 붙여진 이름이고, Emitter는 전자를 방출한다고 하여 붙여진 이름입니다. 중간의 회로도와 같이 트랜지스터를 연결하면, 트랜지스터가 동작을 하며, 아래의 식과 같이 Emitter의 전류가 Base의 전류와 Collector의 전류의 합으로 표시됩니다. 따라서 전류가 증폭된다고 간단히 생각할 수 있겠죠.

전기를 잘 모르시는 분들은, “Collector는 전자를 모은다고 했는데, Base와 Collector의 전류의 합이 Emitter 전류인가?” 라는 질문을 하시겠죠? 전류는 +전하(hole)의 움직임을 나타냅니다. 즉, 전자(-전하,electron)는 전류와 반대방향이 되는 것이죠. 따라서 전자는 Collector에서 모으나, 전류는 Emitter쪽으로 나오는 것이죠. 오른쪽의 그림은 작은 신호가 큰 신호로 바뀌는 것을 보여줍니다. 작은 신호가 트랜지스터에 의해 증폭이 된 것이죠. (BJT의 동작은 추후에 간단히 설명을 드리겠습니다. 일단은 트랜지스터가 위와 같이 증폭작용을 한다는 것을 말씀 드리고 싶군요…)

 

 

 

 

다음은 스위칭 작용이란 무엇인지 설명을 드리겠습니다.

위 그림과 같이 스위치가 열려있으면, 전류는 흐르지 않습니다. 반대로 스위치가 닫혀있으면, 전류는 흐르겠죠. 이러한 스위치들을 오른쪽과 같이 구성을 하면, 회로가 됩니다. A에 전류를 공급하고 싶다면, 왼쪽 스위치와 오른쪽 윗 스위치를 닫아주면 A에 전류가 공급되겠죠. 이와 같은 방식으로 회로를 꾸미고, 원하는 동작들을 하게끔 만들 수 있습니다. 원하는 동작이 다양한 기능을 가질수록 회로는 복잡해 지지만 말이죠..

 

 

 

 

트랜지스터의 주요한 두 가지 작용을 간단히 설명 드렸습니다.

 크게 트랜지스터는 Bipolar Junction Transistor와 Field Effect Transistor로 구분되고, FET은 Junction FET과 Metal Oxide Semiconductor FET으로 나눌 수 있습니다. 더 많은 종류의 트랜지스터가 있지만, 디지털 디바이스에서는 대부분 MOSFET을 사용하고, 전력용 및 군사용에서는 BJT를 사용하기 때문에 여기서는 BJT와 MOSFET위주로 설명을 하려고 합니다.

 

 

앞서 말씀 드린 것과 같이 최초의 트랜지스터는 BJT입니다. BJT에는 npn형과 pnp형이 있는데, npn형은 다수 캐리어가 전자이고, pnp형은 다수 캐리어가 홀입니다. 전자의 이동속도가 빠르기 때문에 npn형이 주로 사용되고 있습니다. 위의 그림은 npn형으로 3극의 특성을 가지고 있습니다.

 n-p junction 사이에는(초록색부분) 공핍층(depletion layer)가 전자와 정공의 재결합에 의해서 형성이 되어있습니다. p-n junction 사이에도 역시 같은 방식으로 공핍층이 형성이 되어 있습니다. 이 소자의 구동은 사실 복잡합니다만, 간단히 설명하자면, 아래 왼쪽과 같은 방식으로 전압을 인가했을 때, n-p junction과 p-n junction 사이에 전기장이 형성됩니다. Emitter로 전자가 주입되고, Collector로 홀(hole)이 주입되기 때문에 공핍층의 두께는 아래 그림들과 같이 변하게 됩니다. Emitter로 주입된 전자들은 얇은 공핍층을 통과하게 되고, Base영역이 짧기 때문에 제공된 전자는 대부분 p-n junction 영역에 도달하게 됩니다. 이렇게 p-n junction에 도달한 전자들은 모두 Collector로 빨려 들어감에 의해서 전류가 흐르게 됩니다. (약간의 hole은 Base에서 emitter쪽으로 흐릅니다. 또한 Base에서 전자와 홀이 결합하는 재결합 현상도 일어나기도 합니다.)

 

 

 

 Junction FET은 위와 같은 구조를 이루고 있습니다. S는 Source이고, G는 Gate, D는 Drain이라고 합니다. 아래의 왼쪽 그림은 Gate에 전압이 인가되지 않았을 때의 상황으로 N⁺의 Source에서 N형의 기판을 따라 N⁺의 Drain으로 전자가 이동할 수 있습니다. 그러나 Gate에 0V이하의 전압을 인가하면, 공핍층(Depletion region)이 N형의 기판을 전부 차단하기 때문에 전자는 이동을 할 수 없게 되죠. 따라서 전류는 흐르지 않습니다. 이와 같은 방식으로 Junction FET은 동작을 합니다.

 

 

MOSFET은 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor의 약자로, MISFET(Metal Insulator Semiconductor FET)이라고도 합니다. MOSFET은 위와 같이 P형의 기판에 N형의 Source와 Drain을 형성하고 있고, 금속 전극은 절연층에 의해서 p형 기판과 떨어져 있습니다.

위 그림과 같은 구조를 가지고 있기 때문에 MOS 또는 MIS라고 부르고 JFET과 같이 Field Effect에 의한 것이기 때문에 FET이라 합니다.

 

 

 

 위 두 그림은 전자와 홀의 이동에 의하여 동작을 설명한 것이고, 아래의 그림은 동작을 간략화 한 것입니다. 왼쪽 위의 그림은 Gate에 전압이 인가되지 않았을 때의 전자와 홀의 양과 모습들을 보여줍니다. N형에는 전자들이 더 많이 있고, P형에는 홀들이 더 많이 있습니다. 이와 같은 상태에서 Gate에 전압을 인가하면, 전기장에 의해 P형 가판에 존재하던 전자들이 절연층으로 끌려옵니다. 또한 홀들은 전기장에 의해서 p형 기판 아래쪽으로 밀려나게 되죠. 따라서 절연층의 바로 밑부분은 전자들에 의해서 전자들의 통로를 만들게 됩니다. 이 통로를 Channel(채널)이라고 합니다. 이 채널을 통해서 전자들이 움직이게 되는 것이죠.

 

 MOSFET도 Channel의 종류에 따라 nMOS와 pMOS로 구분 됩니다. nMOS는 n형 채널을 가지고 있고, pMOS는 p형 채널을 가지고 있죠. NPN-MOS가 nMOS이고 PNP-MOS가 pMOS입니다. 왼쪽 아래 심볼은 nMOS를 나타내고, 오른쪽 아래의 심볼은 pMOS를 나타냅니다. pMOS는 nMOS와 유사하나, 동그라미가 하나 더 있습니다. 이 동그라미의 의미는, not(-)으로 nMOS와 반대의 동작을 한다고 생각하시면 됩니다.

 

 

다음은 CMOS입니다. CMOS는 Complementary MOS 즉, 상보성 금속 산화막 반도체라고 합니다. nMOS의 장점과 pMOS의 장점을 취합한 것이라고 생각하면 될 것입니다. 그러나 정확히 이것은 하나의 소자라기 보다는 두 개의 소자로 이루어진 것이죠. 주로 인버터나 트랜스미션 게이트로 사용됩니다. (위의 그림은 CMOS inverter입니다.)

 

 

BJT와 MOSFET은 서로 장단점이 있습니다. 우선 전력소비 면에서는 MOSFET이 월등히 앞서고 있습니다. BJT는 주로 전류로 동작하고, MOSFET은 주로 전압으로 동작을 하기 때문에 나타나는 현상입니다. 속도측면과 잡음 그리고 증폭 능력은 BJT가 앞서는 반면, 집적도와 제조비용 면에서는 MOSFET이 우세합니다.

최근에는 MOSFET(or CMOS)가 발전하여, 속도와 잡음 그리고 증폭 능력에서 BJT를 많이 따라 가고 있다고 합니다. 속도와 잡음 특성 및 증폭 능력이 낮은데도 MOSFET이 주류를 이루고 있습니다. 그 이유는 낮은 제조단가와 집적도 그리고 소비전력이 대중화와 많은 연관성이 있기 때문이라고 합니다. 따라서 BJT는 주로 전력용이나 군사용에 많이 사용되고, MOSFET은 일반인을 위한 전자기기에 많이 사용되고 있다고 합니다.

 

이상 마치겠습니다.

비전공자분들을 위해서 간단히 설명드렸는데, 이해하셨으면 좋겠네요.. ^^

 

참조 : http://blog.daum.net/21th_vision/7083675