트랜지스터

[ transistor ]

트랜지스터는 전류나 전압흐름을 조절하여 증폭하거나 스위치 역할을 하는 반도체 소자이다. 외부 회로와 연결할 수 있는 최소 3개 단자를 가지고 반도체 재료로 구성되어있다. 전압 또는 전류가 한 쌍의 트랜지스터 단자에 인가가 되면 다른 한 쌍의 단자를 통해 전류를 제어한다. 출력된 전력은 입력된 전력보다 높일 수 있기 때문에 트랜지스터는 신호를 증폭하는 것이 가능하다.

그림 1.트랜지스터 ()

트랜지스터는 현대 전자기기의 기본 구성요소를 이루는 소자이다. 1947년 미국 벨연구소의 월터 브래튼(Walter Brattain), 윌리엄 쇼클리(William Shockley), 존 바딘(John Bardeen)에 의해서 트랜지스터가 개발되었으며, 개발자에게 1956년 노벨 물리학상이 수여되었다. 전자공학 분야에서 혁명을 가져왔으며 소형화되고 가격이 낮아진 라디오, 계산기 그리고 컴퓨터 등이 개발되었다. 대부분의 트랜지스터는 규소(Silicon) 또는 게르마늄(Germanium)으로 만들어지지만 다른 특정 반도체 재료를 사용해 만들 수 있다. 트랜지스터는 크게 전기장 효과를 이용한 전계 효과 트랜지스터(Field Effects Transistor: FET)와 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor: BJT)로 구분이 된다. 진공관(vacuum tube)와 비교해서 가볍고 작은 전력으로 동작이 가능하다.

동작 원리

트랜지스터의 본질적인 유용성은 한 쌍의 단자에서 입력되는 신호가 다른 한 쌍의 단자에서 훨씬 큰 신호로 출력되는 능력에서 비롯된다. 더 약한 입력 신호에 비례하는 큰 출력 신호는 전압 또는 전류를 생성할 수 있다. 즉 증폭기로 작동할 수 있다. 또한, 트랜지스터는 전류의 흐름을 키우고 끌 수 있는 전기적으로 제어되는 스위치로 사용이 가능하다.

트랜지스터에는 두 가지 유형이 있고 회로에서 사용되는 방식에 약간의 차이가 있다. 첫 번째로 접합형 트랜지스터에는 베이스(base), 컬렉터(collector) 그리고 이미터(emitter)라는 명칭이 붙은 단자가 있다[그림2]. 베이스 단자에서의 전류(베이스와 이미터 사이에 흐르는 전류)는 컬렉터와 이미터 단자 사이에서 훨씬 더 큰 전류를 제어하거나 스위치로서 사용할 수 있다. 전계 효과 트랜지스터 단자에는 게이트(gate), 소스(source), 드레인(drain) 이라는 명칭이 붙은 단자가 있으며 게이트에 인가되는 전압으로 소스와 드레인 사이의 전류를 제어할 수 있다[그림3].

그림 2. 접합형 트랜지스터 (출처: 한국물리학회)

그림 3. 전계 효과 트랜지스터 (출처: 한국물리학회)

스위치 작용

트랜지스터는 디지털 회로에서 전원 공급 장치와 같은 고전력 애플리케이션이나 논리 게이트와 같은 저전력 애플리케이션 모두에 대해 온 또는 오프 상태가 가능한 전자 스위치로 사용된다. 이 애플리케이션의 중요한 파라미터에는 전류 스위치, 전압 처리 및 상승 및 하강 시간을 특징으로 하는 스위칭 속도가 포함된다.

증폭기 역할

공통 이미터 증폭기는 전압(V_in)의 작은 변화가 트랜지스터의 베이스를 통과하는 작은 전류를 변화 시키도록 설계되었다. 트랜지스터의 전류 증폭은 회로의 특성과 결합하여 V_in에서의 작은 스윙은 출력 전압 V_out에서 큰 변화를 일으킨다. 단일 트랜지스터 증폭기의 다양한 구성이 가능하며, 일부는 전류 이득, 전압 이득을 제공한다. 휴대 전화에서 텔레비전에 이르기까지 방대한 수의 제품에는 사운드 재생, 라디오 전송 및 신호 처리를 위한 증폭기가 포함된다. 최초의 이산형 트랜지스터 오디오 앰프는 겨우 수백 밀리와트를 공급하였지만, 더 나은 트랜지스터가 출시되고 증폭기 아키텍처가 발전함에 따라 전력 및 오디오 충실도는 점차 증가했다. 최신 트랜지스터 오디오 앰프는 최대 수백 와트를 공급할 수 있다.

접합형 트랜지스터( Bipolar junction transist: BJT)

p형반도체와 n형반도체를 사용해 세 개의 층으로 접합하여 만들어지고 각 단자에는 이미터(Emitter), 베이스(Base), 컬렉터(Collector)라는 명칭이 붙고, 이미터는 총 전류가 흐르고 베이스에서는 전류흐름을 제어해서 신호를 증폭시켜주면 컬렉터에 증폭된 신호가 출력이 된다. 접합하는 순서에 따라 npn형, pnp형 두가지 형태로 BJT가 나뉜다. 두 개의 차이는 순방향 전류가 흐르는 방향에 차이가 있다. npn형의 경우에 전류는 이미터 쪽으로 나가는 방향으로 흐르고 pnp형의 경우에는 이미터 쪽으로 들어가는 방향으로 전류가 흐르게 된다.

전계효과 트랜지스터 (Field effect transistor)

드레인-소스 전류는 소스영역과 드레인 영역을 연결하는 전도된 채널을 통해 흐른다. 전도성은 게이트 단자와 소스 단자 사이에 전압이 가해질 때 생성되는 전계에 의해 변한다. 따라서 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류는 게이트와 소스 사이에 인가되는 전압에 의해 제어 된다. 게이트와 소스 사이의 전압 @@NAMATH_INLINE@@V_{ DS }@@NAMATH_INLINE@@ 이 증가함에 따라 드레인-소스 전류 @@NAMATH_INLINE@@I_{ DS }@@NAMATH_INLINE@@ 는 임계값 이하의 @@NAMATH_INLINE@@V_{ GS }@@NAMATH_INLINE@@ 에 대해 대략 @@NAMATH_INLINE@@I_{ DS } \propto (V_{ GS } -V_{ T } )^{ 2 }@@NAMATH_INLINE@@ 관계로 증가한다. 전계효과 트랜지스터는 접합 전계효과 트랜지스터(Junction Field Effect Transistor: JFET) 와 절연 게이트를 이용한 트랜지스터(Insulated Gate Field Effect Transistor: IGFET) 두가지로 나뉜다. 일반적으로 IGFET는 금속 산화막 반도체 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor; MOSFET)로 알려져있다. IGFET와 달리 JFET 게이트는 소스와 드레인 사이에 있는 채널과 함께 pn다이오드를 형성한다. FET는 게이트-소스 전압으로 채널이 켜지거나 꺼지는 여부에 따라 공핍형과 증가형으로 나뉜다. 증가형의 경우 채널은 제로 바이어스에서 오프상태이고 게이트 전위는 전도도를 향상 시킬 수 있다. 공핍형의 경우 채널은 반대로 제로 바이어스에서 켜져 있고 게이트 전위의 채널을 고갈시켜 전도를 감소시킬 수 있다. 두 가지 모드 모두에서 게이트 전압에 양전압을 강하게 걸어줄수록 n채널 디바이스의 경우 더 높은 전류가 흐르고 p채널 디바이스의 경우 더 낮은 전류에 해당한다. 대부분의 JFET는 다이오드가 순방향이기 때문에 공핍형이고 대부분의 IGFET는 증가형을 따른다.