트랜지스터

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Transistor

트랜지스터는 증폭작용이나 스위칭 동작에 사용되는 반도체 소자다. 월터 브래튼, 존 바딘, 윌리엄 쇼클리가 벨 연구소에서 1947년에 발명하였고, 그 공로로 세명은 1956년 노벨 물리학상을 받았다.

최초의 BJT, 초기 트랜지스터에는 규소가 아닌 저마늄이 사용되었다.

종류

• 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)
• 전계효과 트랜지스터 (Field Effect Transistor, FET)
• 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터 (Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor, MOSFET)

원리

BJT

파일:NPN BJT 단면도.svg

NPN 타입 BJT 의 단순화된 단면도.

BJT는 이미터(Emitter), 베이스(Base), 컬렉터(Collector)로 구성되어있다. 각각 E,B,C로 간략히 표현한다.

npn 트랜지스터를 예시로 설명하면, 베이스-이미터에 정방향 전압 V_BE을 건다. 그러면 이미터에 있는 전자가 베이스쪽으로 이동한다. 그리고 컬렉터-이미터에 역방향 전압 V_CE을 건다.

일반적인 PN 접합 다이오드에서는 역방향으로 전압을 걸면 전자가 이동하지 못하지만, BJT에서는 주입된 전자 (Injected electrons)가 베이스를 통과하여 컬렉터 쪽으로 흐를수 있으므로 컬렉터 → 베이스 쪽으로 전류 I_C가 흐르게 된다.

실제로 오른쪽 그림에서는 이미터의 n과 컬렉터의 n은 같은 n 타입으로 보이지만, 도핑 농도가 다르다.

쉬운 설명

BJT를 이용한 공통 이미터 증폭기 회로

베이스-이미터에 전압 V_BE을 걸고, 컬렉터-이미터에 전압 V_CE을 건다. (단, V_BE < V_CE 이고, 적절히 조절해야한다.) 그러면 베이스, 컬렉터 쪽에서 이미터 쪽으로 전류가 흐른다.

그런데, 베이스의 전류를 조절함으로써 컬렉터에 흐르는 전류를 조절할수 있다. 그리고 활성영역 (Active mode, 트랜지스터가 증폭기 역할을 하는 영역)에서는 베이스의 전류보다 컬렉터의 전류가 수십~수백배 크기 때문에, 작은 전류로 큰 전류를 제어할 수 있고, 이걸 이용하면 작은 신호의 증폭이 가능하다.

MOSFET

n 타입 MOSFET의 구조도

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)

여기서 주로 규소가 쓰이는데

• 금속 (Metal) : polycrystalline silicon, (도핑된) 다결정 실리콘

다결정 실리콘이 고온에서 산화막(SiO₂)과 반응하지 않는 특성으로 인해 1970년대 이후에는 다결정 실리콘이 쓰이게 되었다. 그 이전까지는 금속인 AI을 사용했다. 실리콘은 금속(metal)이 아니고 준금속이지만, 알루미늄을 쓰던 시절부터 MOS라고 불러서(...) 앞으로도 계속 불릴 예정인듯 하다.

• 산화막 (Oxide) : SiO₂, 이산화규소

순수한 실리콘에 산소 또는 물을 접촉하여 제조한다. 산소를 사용하면 건식 산화, 물을 사용하면 습식 산화.

• 반도체 (Semiconductor) : Si(규소)

고순도 실리콘을 이용한다.

n 타입 MOSFET에는 p타입 물질 기반에 n타입으로 도핑된 물질이 있고, 그 위에 산화물 (Oxide, 여기서는 이산화규소), 그 위에 메탈(Metal)이 올라가있는 형태이다.

게이트(G)에 전압을 걸어 소스(S)와 드레인(D)에 흐르는 전류를 제어할수 있다.

기타

트랜지스터의 원리를 배우기 위해서는 '반도체 공학' 서적을 사야하고, 트랜지스터가 들어간 회로의 해석을 배우기 위해서는 시판되는 회로이론 책이 아닌, 전자회로 (Sedra Smith 같은) 서적을 사야한다. 회로이론쪽은 RLC회로, AC 회로, 라플라스/푸리에 변환을 다룬다.