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트랜지스터
트랜지스터(transistor)는 규소나 게르마늄으로 만들어진 P형 반도체와 N형 반도체를 를 세 겹으로 접합하여 만든 전자회로 구성요소이다.[1]
목차
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.[3]
NPN형
NPN형은 콜렉터와 베이스 사이에는 역방향 바이어스를, 베이스와 이미터 사이에는 순방향 바이어스를 걸어준다. 이미터-베이스에서는 순방향 바이어스 때문에 공핍층이 사라지고 전류가 잘 흐르게 되며 베이스 측으로 전자들이 몰리게 된다. 하지만 베이스-콜렉터 사이의 역방향 바이어스에서는 콜렉터에 + 극이 걸려 전자가 몰리고 베이스측에 - 가 걸려 정공이 몰리게 되어 공핍층을 넓히게 되어 전류가 흐르지 못해야 하지만, 이미터-베이스에서의 순방향 바이어스에서 베이스로 전자들이 몰리게 된다. 반대로 베이스-콜렉토간의 역방향 전류는 콜렉터에 + 극이 걸려 전자가 몰리고 베이스 측에 - 가 걸려 정공이 몰려서 공핍층을 넓이게 되어 전류가 흐르지 못해야 하지만 이미터와 베이스간의 순방향 전류가 잘 흐르는 상태에서는 베이스에 전자가 몰리게 된다. 즉 공핍층은 이동가능한 캐리어(전자 또는 정공)가 없는 상태이지만 캐리어가 증가되므로 공핍층은 줄어들고 콜렉터에 형성된 + 극으로 전자들이 이동, 정공들은 반대로 밀려나면서 전류가 증폭되어 흐르게 된다. NPN은 다수 캐리어가 전자인 N형을 양쪽에 두어 전류의 흐름을 PNP보다 빠르게 한다.[3]
PNP형
PNP도 NPN접합과 같이 이미터-베이스 사이에 순방향 바이어스를, 베이스-콜렉터 사이에는 역방향 바이어스를 걸어준다. 이미터-베이스 사이는 순방향 바이어스로 인해 공핍층이 사라지고 전류가 잘 흘르게 되어 전자는 이미터 쪽으로, 정공은 베이스로 이동하게 된다. 콜렉터-베이스 사이에는 역방향 바이어스로 인해 공핍층이 넓어지게 되어 전자는 베이스로, 정공은 콜렉터로 이동하게 된다. 이때 이미터-베이스 순방향 바이어스로 베이스에 정공이 많아져 전자가 소수 캐리어가 되며 정공이 베이스에서 콜렉터로 이동하며 공핍층이 줄어들어 콜렉터에 형성된 - 극으로 정공들이 이동, 전자들은 반대로 밀려나며 증폭되어 흐른다.[3]
PNP형과 NPN형의 차이
PNP 트랜지스터를 이용한 시스템의 경우 입력 상태 감지를 P상으로 한다. 전류 또는 전압이 있어야 논리상 TRUE 또는 1이 되지만, 전류 또는 전압이 없으면, 논리상 False 또는 0이 된다. 반대로 NPN 트랜지스터를 이용한 시스템의 경우 입력 상태 감지를 N상으로해, NPN 회로에서 전선이 끊어졌거나 접지에 접촉하게 되면 입력 상태가 TRUE 또는 1이 된다. 이 경우는 예상치 못한 동작(출력)을 내보내는 조건이 된다. 이런 상황에서 PNP 회로의 전선이 접지에 접촉하게 되면 입력상태가 FALSE 또는 0이 되어 동작을 하지 않게 된다. 전기 공학을 전공한 사람이 아니라면 PNP 시스템의 이해가 더 쉬워, 더 쉽게 접근 가능하다. 회로 설계 분야에서는 전자가 캐리어의 역할을 하는 NPN 트랜지스터를 이용한 회로가 우위를 차지하고 있다. PNP 트랜지스터는 캐리어가 정공이다. 공간이 움직이는 것처럼 보이는 것이지 실제로 움직이는 것은 전자이다. 전자의 이동성은 정공의 이동성의 약 2~3 배이기 때문에 전자를 사용하는 NPN 트랜지스터가 PNP 트랜지스터보다 빠르게 반응하게 된다. 따라서 고속 스위칭 및 증폭기 회로를 사용하는 장치에서 NPN이 많이 사용된다.[6]
전계효과 트랜지스터
전계효과 트랜지스터 또는 장효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)는 1925년 줄리어스 에드가 릴리엔필드(Julius Edgar Lilienfeld)가 최초로 개발한 화합물 반도체에 전극을 꽂아 전류가 흐르는 통로의 폭을 조절하는, 현대의 MESFET와 같은 동작을 하는 물건이었다. 릴리엔 필드는 이 소자가 동작하는 것은 입증했지만, 이것을 제대로 설명하기 위해서는 고체물리와 양자역학에 대한 이해가 필요해 동작방법은 잘 설명하지 못했다.[7] 흔히 우리가 말하는 반도체 소자는 대부분 MOSFET를 뜻한다.[8] 일반 트랜지스터가 전류를 증폭시키는데에 비해 전계효과 트랜지스터는 전압을 증폭시킨다. 말 그대로 전계 효과를 이용한 트랜지스터인데, 전계효과란 외부 전기장에 의해 물질의 전기전도성이 변하는 현상을 말한다. 반도체에서는 적용된 전계에 반응할 수 있는 전자 또는 정공의 밀도가 충분히 더 작기 때문에 전계가 꽤나 깊숙이 물질 속으로 통과 가능하다.[9] 따라서 전계효과 트랜지스터에 인가되는 전압에 의해 전계가 형성되어 이 전계의 세기로 전류를 제어하는 것을 의미한다.[10] 전계효과 트랜지스터의 단자는 일반적인 트랜지스터와 마찬가지로 3개의 방향성 단자를 가지고 있고, 드레인(Drain), 게이트(Gate), 소스(Source)로 표기한다. 게이트에 금속과 유전물질(유전체)이 장착되는데 여러종류가 있다. 유전체로 이산화규소(규소산화물)와 같은 산화물을 사용하는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET), 진성반도체를 사용하는 금속 반도체 전계효과 트랜지스터(MESFET) 와 절연체를 사용하는 금속 절연막 반도체 전계효과 트랜지스터(MISFET) 등으로 구분할 수 있다.[11] 접합형 트랜지스터와 달리 한 종류의 캐리어에 의해서 전류를 흐르게 하고, 전류가 흐르는 통로를 채널(Channel)이라 한다. 전계 효과 트랜지스터는 전류를 흐르게 할 채널을 P형 반도체와 N형 반도체중 어느 것을 사용하느냐에 따라 P채널 전계효과 트랜지스터와 N채널 전계효과 트랜지스터로 구분되어 진다.[12] 접합형 트랜지스터에 비해 아주 작은 면적으로 만들 수 있고 전력소모도 매우 적어 고집적 디지털민 아날로그 반도체(Intergrated Circuit)에 폭넓게 사용되고 있다.[10]
금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터
금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor field effect transistor, MOSFET)는 디지털 회로와 아날로그 회로에서 가장 일반적인 전계효과 트랜지스터이다. 채널이 N형 또는 P형인지에 따라 엔모스펫(NMOSFET)이나 피모스펫(PMOSFET), 두가지를 모두 가진 소자를 씨모스펫(complementary MOSFET, cMOSFET)으로 분류한다.[13]게이트와 금속 아래 유전체가 있는데, 이것은 금속과 P형 반도체 사이에서 유전분극을 일으켜 금속과 반도체를 축전기처럼 이용하여 전기장을 형성하게 만드는 역할을 한다. 소스와 드레인의 특별한 구분은 없다. 다만 N형의 경우 상대적으로 전압이 더 낮은 곳이 소스가 되고, 더 높은 곳이 드레인이 된다. P형의 경우는 N형의 반대, 전압이 더 높은 곳이 소스가 되고 더 낮은 곳이 드레인이 된다.[11] MOSFET은 채널 제작 방법에 따라 증가형 MOSFET과 공핍형 MOSFET으로 구분된다. MOSFET의 동작에 있어 중요한 점은 전류가 소스와 드레인사이의 채널영역을 통해서만 흐르고 소스 또는 드레인에서 기판쪽으로는 흐르지 않아야 한다. 따라서 항상 소스/드레인 과 기판의 PN접합은 항상 역방향 바이어스 상태가 되어야 하며 이를 위해서는 N채널 MOSFET의 P형 기판에는 0V 또는 - 전압이 인가 되도록 한다. 반대로 P채널 MOSFET의 N형 기판에는 + 전압이 인가 되도록 한다.[10][14]
- 증가형 MOSFET
증가형 MOSFET은 N채널과 P채널 MOSFET의 전류와 전압의 극성이 반대되는 것을 제외하면 똑같이 해석이 가능하기 때문에[14] 기본적인 N채널 MOSFET으로 서술한다. N채널 MOSFET은 반도체의 특성상 평상시에는 전류가 흐르지 않는다. 또한 게이트의 전압이 0V이거나 문턱전압(채널을 형성하기 위한 최소의 게이트 전압)을 넘지 못할 정도로 낮을때도 전류가 흐르지 않는다.[11] 이때 게이트의 전극에 + 전압을 인가하면 게이트 산화막 아래의 채널 영역에 전자들이 모여 N형 반전층[15]이 형성된 상태를 채널이 형성 되었다고 말한다. 채널이 형성된 상태에서 드레인에 + 전압이 인가되면 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르게 된다. 채널이 형성되는 원리는 게이트에 인가된 + 전압에 의해서 기판의 다수 캐리어인 정공은 기판의 아래 쪽으로 밀려나고 이에 의해서 공핍영역이 형성된다. 기판과 소스/드레인의 PN접합은 역방향 바이어스이기 때문에 소스/드레인과 채널영역 주변에 공핍영역이 만들어진다. 게이트에 인가되는 전압의 크기에 따라 채널영역에 모이는 전자의 수가 달라지므로 증가형 MOSFET이라고 한다.[14]
- 공핍형 MOSFET
기본적인 구조는 증가형 MOSFET와 동일한 구조지만, 제조과정에서 채널이 미리 만들어지며, 소스와 드레인이 채널영역에 의해 서로 연결되있고 이를 기호에 표시하는 점이 증가형 MOSFET 기호와 다르다. 공핍형도 마찬가지로 N채널과 P채널 MOSFET의 전류와 전압의 극성이 반대되는 것을 제외하면 똑같이 해석이 가능하므로 N채널 MOSFET으로 서술한다. 증가형 MOSFET과 마찬가지로 공핍형 MOSFET 또한 전류는 소스와 드레인 사이의 채널을 통해서만 흐르며, 소스/드레인에서 기판쪽으로 전류가 흐르지 않아야 한다. 마찬가지로 소스/드레인과 기판의 PN접합은 항상 역방향 바이어스여야 한다. 게이트에 음의 전압이 인가되면 N채널 영역의 다수 캐리어인 전자가 아래쪽으로 밀려나게 되고, 그 자리에는 공핍 영역이 형성된다. 따라서 채널영역에는 다수 캐리어인 전자가 감소하게 되어 결과적으로 드레인 전류가 감소하게 된다. 이처럼 드레인 전류가 게이트에 인가되는 - 전압 크기에 비례하여 게이트 전압에 의해 소스/드레인 사이의 전류 조절이 가능하다. 게이트에 인가되는 전압의 크기에 따라 공핍영역의 폭이 확대 되므로 공핍형 MOSFET이라고 한다.[10]
- 전력 MOSFET
전력 MOSFET(Power MOSFET)은 큰 전력을 처리하기위해 설계된 MOSFET의 특정 종류이다. 전력 MOSFET은 수평적인 구조를 가진 측면 MOSFET과 다르게 수직 구조이다.
전력 MOSFET의 종류는 내압이 75~1000V(볼트)인 중고 내압형과 내압이 12~250V인 저내압형이 있다. 전력 MOSFET은 MOSFET와 다르게 전류가 세로 방향으로 흐른다.[16]
접합형 전계효과 트랜지스터
접합 전계효과 트랜지스터(Junction field effect transistor, JEFT)는 채널 영역의 도핑 형태에 따라 N채널 JEFT와 P채널 JEFT로 구분한다. N채널 JEFT의 구조는 N형 반도체 양옆으로 P형 반도체 두개가 삽입되어 있는 형태이다. 게이트는 P형 반도체 두개에, 드레인과 소스는 N형 반도체의 위 아래에 각각 달려있다. 전류가 소스와 드레인 사이를 흐르며, 게이트 단자로 흐르지 않아야 하므로 게이트에는 역방향 바이어스를 인가해주어야 한다. 게이트의 역방향 바이어스의 전압을 높이면 PN 접합의 공핍영역은 대부분 채널영역으로 확대되어 N채널이 폭이 좁아 지게 되어 드레인과 소스 사이의 전류가 감소된다.[10][17] 즉 소스-드레인간의 통로를 공핍층을 이용해 자유자재로 여닫아 트랜지스터로 만든 것이다. JFET는 특성상 소자의 크기만 크면 큰 전류도 다룰 수 있고, 진공관과 전류-전압 특성이 유사해 오디오 등의 고출력이 필요한 전자제품에 주로 사용된다. MOSFET은 게이트 절연층의 두께 문제로 크게 만들기가 매우 어렵다. 하지만 집적회로가 나오면서부터 누설전류가 너무 커 사용하지 않는다.[7]
각주
- ↑ 〈트랜지스터(Transistor)〉, 《kocoafab》, 2016-01-11
- ↑ 〈트랜지스터〉, 《위키백과》
- ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 HARA, 〈트랜지스터의 기본 구조 및 원리〉, 《네이버 블로그》, 2016-09-25
- ↑ 아메리카노, 〈다이오드 동작원리〉, 《네이버 블로그》, 2012-10-26
- ↑ 〈접합형 트랜지스터〉, 《위키백과》
- ↑ 폭풍Q로거, 〈NPN PNP 장단점 비교〉, 《네이버 블로그》, 2020-04-28
- ↑ 7.0 7.1 〈트랜지스터〉, 《나무위키》
- ↑ pcengw, 〈FET(Field Effect Transistor)〉, 《네이버 블로그》, 2020-07-19
- ↑ 인디화학, 〈전계효과(field effect)〉, 《네이버 블로그》, 2021-02-07
- ↑ 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 정호기, 〈FET(Field Effect Transistor)〉, 《한양대학교》
- ↑ 11.0 11.1 11.2 applepop, 〈전계효과트랜지스터(MOSFET)의 원리〉, 《네이버 블로그》, 2017-02-03
- ↑ 덤보, 〈전계효과 트랜지스터라는 것은 또 뭘까?(1)_J-FET〉, 《다음 카페》, 2012-02-18
- ↑ 〈MOSFET〉, 《위키백과》
- ↑ 14.0 14.1 14.2 사용자 공대생 교블, 〈MOSFET(모스펫) / 증가형MOSFET에 대하여 알아보기〉, 《티스토리》, 2020-07-24
- ↑ 반전층이란 기판의 다수 캐리어와 반대형태의 캐리어가 모여있는 상태를 말한다
- ↑ 〈파워 MOSFET의 구조〉
- ↑ 리스펙토, 〈JEFT(Junction Field Effect Transistor)원리와 구조〉, 《네이버 블로그》, 2016-09-05
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
- 〈트랜지스터〉, 《나무위키》
- pcengw, 〈FET(Field Effect Transistor)〉, 《네이버 블로그》, 2020-07-19
- 정호기, 〈FET(Field Effect Transistor)〉, 《한양대학교》
- 인디화학, 〈전계효과(field effect)〉, 《네이버 블로그》, 2021-02-07
- 〈MOSFET〉, 《위키백과》 </ref>
- applepop, 〈전계효과트랜지스터(MOSFET)의 원리〉, 《네이버 블로그》, 2017-02-03
- 사용자 공대생 교블, 〈MOSFET(모스펫) / 증가형MOSFET에 대하여 알아보기〉, 《티스토리》, 2020-07-24
- 〈파워 MOSFET의 구조〉, 《전자소자 및 회로연구실》
같이 보기
