반도체학과 재학생이 알려주는 트랜지스터

안녕하세요. 저번 6장, 7장 포스팅에서 반도체의 기본적인 접합에 대해 살펴보았습니다. 이번 포스팅에서는 반도체의 접합을 이용한 반도체소자 중 다이오드와 함께 반도체소자를 대표하는 트랜지스터에 대해 알아보도록 하겠습니다.

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1.  트랜지스터란?
2.  접합형 트랜지스터 (BJT)
3.  전계 효과 트랜지스터 (FET)

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1. 트랜지스터란?

트랜지스터는 세 개 이상의 전극을 가진 반도체 소자입니다. 반도체 물질(Si, Ge 등)으로 제작되어 증폭과 연산 등의 작업을 수행합니다. 전극이 세 개가 달려 있어 전류의 흐름을 제어할 수 있으므로 고성능의 작업에 유용합니다.

집적회로 (IC : Integrated Circuit)

현대 반도체 산업에서 가장 중요한 부품으로 트랜지스터를 이용해 cpu, gpu, 메모리 등을 제작합니다. 여러 트랜지스터를 조합하여 논리 게이트(AND, NAND, OR, NOR 등)를 형성하고 논리 게이트를 이용하여 연산장치와 기억장치 등을 제작하는 것입니다.

 

트랜지스터를 조금 더 조밀하게 조합하여 하나의 칩으로 만든 것이 바로 집적 회로(IC : Integrated Circuit)입니다. 개발 초기에는 하나의 집적 회로 내부에 수 천~수 만 개의 트랜지스터 밖에 들어가지 않았지만 반도체 공정기술이 발전한 현재에는 하나의 집적 회로 내부에 수 억~수 십억 개의 트랜지스터가 들어갑니다.

 

트랜지스터의 종류에는 무수히 많지만 현재 주로 다뤄지는 것은 주로 두 가지의 트랜지스터입니다. 하나는 접합형 트랜지스터 (BJT : Bipolar Junction Transistor)이고 다른 하나는 전계효과 트랜지스터 (FET : Field Effect Transistor)입니다. BJT는 전류로 전류를 제어하는 Current driving이고, FET는 전압으로 전류를 제어하는 Voltage driving입니다. 지금부터 이 두 가지 트랜지스터에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

2. 접합형 트랜지스터 (BJT)

접합형 트랜지스터는 1947년 벨 연구소에서 존 바딘, 윌리엄 쇼클리, 월터 브래튼에 의해 탄생되었습니다. 저마늄(Ge)를 이용해 제작한 BJT는 기존에 있던 진공관의 전력소모와 내구성 문제 등을 보완하기 위해 만들어졌습니다.

 

BJT는 양극성의 트랜지스터로 전자와 정공 둘 다 움직이는 소자입니다. BJT는  n-type반도체와 p-type반도체의 접합으로 이루어져 있습니다. n형과 p형을 번갈아 접합을 하여 각 반도체에 전극을 붙여진 형태를 가지고 있습니다. n형 사이에 p형을 넣으면 npn트랜지스터, p형 사이에 n형을 넣으면 pnp트랜지스터가 됩니다.

NPN BJT

BJT는 이미터(E), 컬렉터(C), 베이스(B)의 세 가지 전극을 가지고 있습니다.

• 이미터(Emitter) : 캐리어를 제공하는 단자
• 컬렉터(Collector) : 캐리어가 모여지는 단자
• 베이스(Base) : 이미터와 컬렉터 사이에서 캐리어를 조절하는 단자

따라서 이미터 전류 = 베이스 전류 + 컬렉터 전류가 됩니다. 또한, 접합시 각 부분은 어느 정도의 도핑을 해주어야 하는데 이미터의 도핑농도가 제일 높고 그다음 베이스, 컬렉터 순으로 농도의 차이가 있습니다. pnp는 이미터로 들어온 전류가 베이스와 컬렉터로 나가는 형태이고 npn은 컬렉터와 베이스로 들어온 전류가 이미터로 나가는 형태입니다.

PNP형과 NPN형 BJT의 회로

npn트랜지스터를 예로 BJT의 동작원리를 살펴보겠습니다. BJT의 동작모드는 차단(cut off), 포화(saturation), 활성(forward active), 역활성(reverse active)으로 총 4가지가 있습니다. 차단모드와 포화모드는 스위치 역할을 하고 활성모드는 증폭기 역할을 합니다. 역활성모드는 잘 쓰이지 않으므로 여기에서는 3가지 모드만 알아보도록 하겠습니다.

BJT의 동작모드 [출처 : 정보통신기술용어해설]

평형상태의 BJT

• 차단모드 (cut off)

조건) B-E : reverse, B-C : reverse,  VB-VE=VBE<0.7V (문턱전압, threshold voltage)

차단모드는 B-E접합과 B-C접합의 바이어스가 역방향 바이어스인 상태입니다. 양쪽에 역방향 바이어스가 걸려 베이스의 에너지 밴드의 형태가 크게 휘어 캐리어가 넘어가기 힘든 구조를 보입니다.

소자의 전류가 흐르지 못하는 상태이므로 차단모드는 이미터와 컬렉터의 스위치를 off하는 역할을 합니다.

 

• 포화모드 (saturation)

조건) B-E : forward, B-C : forward,  VB-VE=VBE≥0.7V,  VB-VC=VBC≥0.4V

포화모드는 B-E접합과 B-C접합의 바이어스가 순방향 바이어스인 상태입니다. 양쪽에 순방향 바이어스가 걸려 에너지 밴드의 형태가 평형상태보다 평탄한 형태를 가지고 있어 캐리어의 이동이 수월합니다.

소자의 전류 흐름이 원활하여 포화모드는 이미터와 컬렉터의 스위치를 on하는 역할을 합니다.

 

• 활성모드 (active)

조건) B-E : forward, B-C : reverse,  VB-VE=VBE≥0.7V,  VB-VC=VBC<0.4V

활성모드는 B-E접합의 바이어스가 순방향, B-C접합의 바이어스가 역방향 바이어스인 상태입니다. 베이스와 이미터의 접합 쪽에 순방향 바이어스가 걸려 베이스의 에너지 밴드와 이미터의 에너지 밴드는 평탄해지고, 베이스와 컬렉터에 역방향 바이어스가 걸려 베이스와 컬렉터의 에너지 밴드는 크게 휘게 됩니다.

이미터에서 베이스로의 캐리어 이동은 수월하게 되고, 베이스에서 컬렉터로 넘어갈 때 전기장에 의해 가속을 하여 전류의 흐름이 증폭이 됩니다. 따라서. 활성모드는 증폭기의 역할을 하게 됩니다.

 

3. 전계 효과 트랜지스터 (FET)

전계 효과 트랜지스터는 전압에 의해 전류가 조절되는 소자입니다. BJT와 다르게 단극성 트랜지스터인 FET는 전자 혹은 정공 둘 중에 하나만 선택을 하여 움직입니다.

 

FET는 BJT와는 조금 다른 게이트(G), 소스(S), 드레인(D)의 세 가지 전극을 가지고 있습니다.

• 게이트(Gate): 전압을 가하여 전계에 의해 채널을 형성하는 단자
• 소스(Source): 전자의 공급원이 되는 단자 (전압의 기준)
• 드레인(Drain): 전자가 흘러 나가는 단자

소스에서 전자가 공급이 되고 드레인으로 흘러나가게 되는데, 게이트에 전압을 주면서 전자의 흐름을 조절하는 원리입니다.

대표적인 FET인 MOSFET

FET는 접합형 FET (JFET), 금속 산화막 반도체 FET (MOSFET) 등이 있습니다. 여기서 MOSFET이란 소자는 앞서 말한 집적 회로에 가장 많이 쓰이는 소자입니다. 현대의 모든 전자기기들이 MOSFET으로 돌아가고 있다 해도 과언이 아닙니다. 그만큼 MOSFET은 중요한 소자이므로 다음 포스팅에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

이상으로 트랜지스터에 대해 알아보았습니다. 다음 포스팅에서는 예고해드린 대로 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

감사합니다.

 

*본 포스팅은 ‘NEAMEN의 반도체 물성과 소자’를 참고하여 제작하였습니다.