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트랜지스터
트랜지스터(transistor)는 규소나 게르마늄으로 만들어진 P형 반도체와 N형 반도체를 를 세 겹으로 접합하여 만든 전자회로 구성요소이다.[1]
개요
트랜지스터는 변화하는 저항이라는 뜻의 'transfer resistor' 에서 유래된 합성어이며 현대 전자 기기를 구성하는 굉장히 흔한 기본 부품중 하나로, 전자 신호 및 전력을 증폭하거나 스위칭하는 데 사용되는 반도체 소자이며, 세 개 이상의 전극이 있다. 크게 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistors, BJT)와 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistors, FET)로 구분된다. 보통 입력단, 공통단, 출력단으로 구성되어 있다. 입력단과 공통단 사이에 전압(FET) 또는 전류(BJT)를 인가하면 공통단과 출력단 사이의 전기전도도가 증가하게 되고 이를 통해 그들 사이의 전류흐름을 제어하게 된다. 아날로그, 디지털 회로에서 트랜지스터는 증폭기, 스위치, 논리회로, RAM 등을 구성하는 데 이용된다.[2]
기본 성분과 원리
성분
트랜지스터는 게르마늄(Ge)이나 실리콘(Si)의 결정처럼 4개의 가전자로 공유 결합하고 있는 반도체를 4가 진성 반도체라고한다. 여기에 외부 불순물을 섞은 반도체를 불순물 반도체 혹은 외인성 반도체라고 한다. N형 반도체는 4가 진성 반도체(전자 4개)에 5가 원소(전자 5개)를 결합하게 되면 전자 1개가 남는 8개로 구성되고 1개의 전자가 떨어져 남아 자유전자가 되서 N(Negative)형이 되고,'도우너' 라고 표현한다. P형 반도체는 4가 진성 반도체(전자 4개)에 3가 원소(전자 3개)를 결합하게 되면 전자 1개가 부족한 7개로 구성되고 전자 1개가 부족한 양공이 형성되어 P(Positive)형이 되고 '억셉터' 라고 표현한다.이렇게 형성된 P형과 N형 반도체를 접합하게 되면 다이오드가 되고, P형 두개와 N형 한개 또는 N형 두개와 P형 한개를 접합하게 되면 트랜지스터가 된다.[3]
원리
트랜지스터의 작동을 알기전에 먼저 다이오드의 작동을 알아보는 것이 좋다. 먼저 다이오드는 P형 한개와 N형 한개를 접합하여 만든다. 이때 둘 사이에 공핍층이라고 불리는 특수한 장벽이 생긴다. PN접합면에서 P형 쪽에는 정공이, N형 쪽에는 [전자]]가 남아돌게 되어, 확산에 의해 P형의 정공들은 공핍층의 N형으로 N형의 전자들은 P형으로 넘어가 중성상태를 이루게 된다. 이로인해 자연스럽게 장벽이 만들어지면 그 다음부터는 뛰어넘을 힘이 없어서 전자가 더 이상 만나지 못하게 되는 상태가 평소 상태이다. 이 다이오드에 순방향 바이어스, P형 반도체에 + 전압을 N형 반도체에 - 전압을 걸어주면 P형의 정공이 접합면을 가로질러 N형으로 주입되고 N형에 있는 정공의 농도는 점점 증가 된다. 마찬가지로 P영역에서도 전자의 농도가 점점 증가한다. 이 농도는 접합면에서 가장 높다. 이 농도 차이에 의해 정공과 전자들은 접합면으로부터 서서히 멀어져 장벽이 허물어 지면서 완전히 극복되는 전압이 생기고 이 전압을 문턱전압이라고 하며, 문턱전압 이상에서 전류가 흐르게 된다. 반대로 P형 반도체에 - 를, N형 반도체에 + 전압을 걸어준 경우에는 P형의 - 전압으로 인해 정공들이 - 전압 쪽으로 몰리게 되며 P형의 장벽근처의 - 전자 장벽은 두터워 진다. 그러면 장벽이 더욱 커져버려 전류가 흐르지 않게 된다. 하지만 전압이 많이 커지게 되면 전류가 다시 흐르게 되는데, 이를 에벌랜치 항복이라고 한다. 항복전압의 정도는 불순물의 농도에 따라 조절이 가능하며 다이오드의 종류에 따라 10~1000V로 다양하다. 이 상태로 계속 흐르게 두면 다이오드가 망가지게 된다. 전류를 P형 반도체에 + 를, N형 반도체에 - 를 걸어주는것을 순방향 바이어스라고 부르고 반대로 전류를 거는것을 역방향 바이어스라고 부른다.[3][4]
종류
접합형 트랜지스터
접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistors, BJT)는 1947년 벨 연구소에서 존 바딘, 월터 브래튼 그리고 윌리엄 쇼클리에 의해 발명되었다. 기존의 컴퓨터에는 진공관을 사용했는데, 진공관은 전자회로 구현에서 크기와 소모전력 그리고 내구성에 문제가 많았다. 특히 스위치 개념을 적용할 때, 많은 소자가 필요한데 공간의 한계가 문제였다. 스위치는 전류를 흐르게 하거나, 흐르지 못하게 한다. 반도체는 n형과 p형이 있으므로 여기에 제어용 전극을 붙여, N형 반도체의 막대 중간에 제어 전극을 붙이는 방법은 중간에 P형을 끼워 넣는 방법 밖에 없다. P형이라면 N형을 넣으면 전류제어가 가능해진다. 개발 초기와는 다르게 현재의 부품들은 실리콘 웨이퍼에 평면 도핑에 의해 만들어진다. 사진기술에 의해 n형 반도체 위에 p형과 다시 n형을 도핑한다.[5] 트랜지스터의 경우 P형 2개 N형 1개 또는 P형 1개 N형 2개로 구성되어 있어 1개인 곳이 베이스단이 되고, 다른쪽이 이미터와 콜텍터로 나뉜다. 베이스는 전류의 흐름을 제어하고 불순물을 적게 첨가하며, 이미터는 총 전류가 흐르는 곳으로 불순물을 많이 첨가하고 콜렉터는 증폭된 신호가 흐르는 곳이다. NPN형에서 전류는 베이스에서 이미터로 흐르고, PNP형의 경우 이미터에서 베이스로 전류가 흐른다. 이러한 트랜지스터에서 이미터, 베이스, 콜렉터를 찾는 방법은 보통 멀티테스터기로 찾는다. 또한 이미터의 경우 콜렉터보다 불순물을 더 높게 도핑하여 베이스와 이미터 접합의 항복전압은 6V이고 콜렉터와 베이스 접합의 항복전압은 50V 정도이다. 대부분의 트랜지스터의 경우 2개의 전원부를 연결한 구성이다.
전계효과 트랜지스터
전계효과 트랜지스터 또는 장효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)는 게이트에 전압을 걸어 채널의 전기장에 의하여 전자 또는 정공이 흐르는 관문이 생기게 하는 원리로 소스, 드레인의 전류를 제어하는 트랜지스터이다. 트랜지스터의 분류 상 바이폴라 트랜지스터와 대비되어 단극 트랜지스터(unipolar transistor)로 분류된다.
각주
참고자료
- 〈트랜지스터(Transistor)〉, 《kocoafab》, 2016-01-11
- 〈트랜지스터〉, 《위키백과》
- HARA, 〈트랜지스터의 기본 구조 및 원리〉, 《네이버 블로그》, 2016-09-25
- 아메리카노, 〈다이오드 동작원리〉, 《네이버 블로그》, 2012-10-26
같이 보기
