트렌지스터 npn형 pnp형
트랜지스터는
p형 반도체 두 개와
그 사이에 n형 반도체를 끼워 만든
‘pnp형 트랜지스터’와
반대로 n형 반도체 두 개와
그 사이에 p형 반도체를 끼워 넣은
‘npn형 트랜지스터’가 있습니다.
사이에 낀 반도체는 매우 얇게 만드는데
수 ㎛(마이크로미터)에서
수 nm(나노미터)의 두께로 만듭니다.
사람의 머리카락 굵기가 50~100 ㎛이니
사이에 끼워 넣는 반도체의 굵기는 매우 얇은 것입니다.
먼저 트랜지스터의 각 부분의 명칭과
작동 원리를 ‘pnp형 트랜지스터’를 통해 살펴봅시다.
[ pnp형 트랜지스터 동작원리 ]
그림 왼쪽의 p형 반도체에는 양공(positive hole, 정공)이 있으며
가운데 낀 n형 반도체에는 남는 전자가 있습니다.
왼쪽 회로의 p-n 접합부에 순방향 전압 V1을 걸어주면
p형 반도체에 있는 양공은 밀려나 오른쪽으로 이동하고,
n형 반도체에 있는 전자는 왼쪽으로 이동하여
양공과 전자가 접합면으로 움직입니다.
그렇게 되면 왼쪽 회로에는 전류가 흐르게됩니다.
그런데 n형 반도체가 매우 얇다 보니
양공과 결합할 전자가 턱없이 부족하게 됩니다.
이때 오른쪽 회로의 n-p 접합부에 역방향 전압 V2를 걸어주어 남아도는 양공이 오른쪽으로 건너와 역방향 전압 V2의 (-) 단자에서 공급되는 전자와 결합하여 더 큰 전류가 흐르게 됩니다.
이때 왼쪽 p형 반도체는 양공을 방출하므로 방출한다는 뜻의 이미터(Emitter)라고 부르고,
n형 반도체를 건너간 양공을 수집하는 오른쪽 p형 반도체를 수집한다는 뜻의 컬렉터(Collector),
사이에 낀 n형 반도체를 베이스(Base)라고 합니다.
이번에는 npn형 트랜지스터의 작동 원리를 봅시다.
pnp형의 작동 원리를 이해했다면 npn형도 금방 이해할 수 있습니다.
NPN형 트랜지스터에서 알아 보는 증폭 작용
[ npn형 트랜지스터 동작원리 ]
다만, 이미터에서 양공을 방출하는 pnp형과는 달리 npn형은 전자가 방출됩니다. 이 전자들은 베이스의 양공과 접합면에서 결합하여 전류가 흐르게 됩니다. 하지만 p형 반도체가 매우 얇아 양공과 결합하지 못한 남아도는 전자들이 컬렉터 쪽으로 넘어가게 되고 컬렉터 쪽에는 베이스 쪽보다 더 큰 전류가 흐르게 됩니다.
이미터에 흐르는 전류를 ‘IE’, 베이스 전류를 ‘IB’, 컬렉터 전류를 ‘IC’라고 하면 이들의 관계는
IE = IB + I C 라고 표현할 수 있습니다.
트랜지스터의 베이스는 매우 얇아서 pnp형이든 npn형이든 베이스에 흐르는 전류는 약한 전류가 흐르게 됩니다.
이에 비해 컬렉터에 흐르는 전류는 베이스 전류보다 매우 센 전류가 흐르게 되는데요
컬렉터 전류 IC는 베이스 전류 IB에 비례하는 성질이 있어서 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
IC = β * IB . 이때 β 를 전류 증폭률이라고 합니다.
예를 들어 β =100 이라고 하면, β =IC / IB이므로 베이스 전류가 1mA 이면 컬렉터 전류는 100mA이지만, 베이스 전류가 2mA 이면 컬렉터 전류는 200mA가 됩니다.
베이스 전류가 1mA만큼 증가할 때 컬렉터 전류는 무려 100mA나 증가합니다.
이처럼 베이스의 작은 전류 변화가 컬렉터에는 큰 변화로 나타나는 것을 증폭 작용이라고 합니다.
이러한 원리로 만든 대표적인 기기가 앰프입니다. 마이크가 음성 신호를 전기 신호로 바꿔주면 이 신호는 앰프를 거쳐 크게 증폭되는데, 앰프 안에 이런 트랜지스터가 있기 때문입니다. 이렇게 증폭된 전기 신호는 스피커를 빠져나올 때 다시 음성 신호로 바뀌게 되어 우리 귀에 들리게 되는 것입니다.
[ pnp형 트랜지스터와 기호 ]
[ npn형 트랜지스터와 기호 ]
자 그럼 다시한번 처음으로 돌아가 보겠습니다.
소스 드레인 게이트
소스, 드레인, 게이트 원리로 다시 한번 이해 해봅시다.
트랜지스터는 크게 접합형트랜지스터(BJT, 전류제어, pnp와 npn으로 알려짐)와 전계효과트랜지스터(FET, Field-effect transistor, 장효과/필드효과 트랜지스터, 전압제어)로 분류할 수 있습니다.
위의 그림은 반도체의 종류입니다. 다이오드는 2개의 단자를 구성하며, 트랜지스터는 3개이상의 단자를 구성합니다. 트랜지스터는 접합형과 전계효과가 있습니다. 반도체 집적회로(수많은 트랜지스터들이 들어가 있다)에는 주로 전계효과트랜지스터가 사용됩니다. 따라서 FET는 집적회로의 기본설계이기 때문에 플래쉬메모리(비휘발성), DRAM(휘발성) 등은 기본 FET를 가지고 응용한 FET 반도체들 입니다.
전계효과트랜지스터는 게이트(G)에 전압을 걸어 발생하는 전기장에 의해 전자(-) 또는 양공(+)을 흐르게 하는 원리입니다.
전계효과트랜지스터(FET)는 게이트에 금속과 유전물질(유전체)이 장착되는데 여러종류가 있습니다. 유전체로 이산화규소(규소산화물)와 같은 산화물을 사용하는 MOSFET(metal–oxide–semiconductor field-effect transistor)와 진성반도체를 사용하는 MESFET(metal–semiconductor field-effect transistor) 그리고 절연체(insulator)를 사용하는 MISFET(metal–insulator–semiconductor field-effect transistor)등으로 구분할 수 있습니다. JFET(junction field-effect transistors)는 MOSFET과 원리와 기능이 유사하며, 차이점은 JFET의 경우 게이트인 제어핀에 0V가 적용될때 전도되며 작동합니다. 따라서 JFET는 공핍형으로만 작동합니다. MOSFET의 경우 금속 산화물 절연체를 배치하므로 JFET보다 매우 높은 입력 임피던스를 제공합니다. 따라서 게이트 단자가 소스 및 드레인 채널에서 차단되어 MOSFET는 JFET보다 적은 입력 전류를 끌어들이므로 부하(load)되지 않아 거의 전원을 공급하지 않는 상태에서 MOSFET는 양호하게 절연됩니다. 반면 더 높은 임피던스로 인해 MOSFET는 JFET보다 손상에 취약하지만, 매우 높은 입력 임피던스로 인한 입력 전류의 양으로도 절연 및 매우 적은 전력 사용으로 JFET보다 인기가 높습니다.
이중에서 MOSFET가 가장 많이 사용되고 있습니다. MOSFET는 비휘발성 메모리인 플래쉬메모리와 휘발성 메모리인 DRAM의 기본 원리 및 구조이며, 플레쉬메모리는 MOSFET의 원리 및 기본구조에 플로팅게이트가 장착된 방식입니다. 플로팅 게이트는 상부에 컨트롤 게이트가 존재하는 복층 구조가 특징입니다. 또한 P채널과 N채널의 MOSFET 두개가 직렬로 구성되어 입력은 게이트에 출력은 드레인에 같이 연결된 CMOS(complementary metal–oxide–semiconductor)가 있습니다. CMOS는 상보적 MOS입니다. MOS는 반도체 설계 기술이고, FET는 반도체 제품입니다. 기술과 제품이 합쳐져서 MOSFET가 됩니다. 또한 MOSFET를 MOS라고 부릅니다. 이때 CMOS는 두개의 PMOS와 NMOS가 상보적으로 합쳐진 트랜지스터입니다.
전계효과트랜지스터의 게이트와 금속 아래 유전체가 있는데, 이것은 금속과 p형반도체 사이에서 유전분극을 일으켜 금속과 반도체를 축전기처럼 이용하여 전기장을 형성하게 만드는 역할을 합니다.
소스(S)와 드레인(D)의 특별한 구분은 없습니다. 다만 상대적으로 전압이 더 낮은 곳이 소스(S)가 되고, 전압이 더 높은 곳이 드레인(D)이 됩니다. 이것은 N형의 경우이고, P형의 경우는 그 반대가 됩니다.
기본적으로 N형과 P형의 차이는 소스와 드레인의 전류이동에 기여하는 캐리어가 전자(-)이냐? 양공(+)이냐?의 차이입니다.
전계효과트랜지스터(MOSFET,모스펫)도 다양한 종류가 있지만 가장 많이 사용되는 것은 MOS형으로써, N형처럼 (자유)전자(-)가 이동하면 NMOS형, P형처럼 양공(+)이 이동하면 PMOS형으로 구분합니다. 즉, MOSFET은 형성되는 채널의 종류에 따라 NMOS와 PMOS로 구성되며, 이 두가지가 직렬로 연결된 상보적인 CMOS가 있습니다.
NMOS의 원리
<게이트의 전압이 없을때>
게이트의 전압이 문턱전압을 넘지 못할정도로 낮을때는 반응이 없습니다.
<게이트의 전압이 문턱전압을 넘지 못할정도로 낮을때>
반도체 특성상 평상시에는 전류가 흐르지않습니다. 또한 게이트의 전압이 0V이거나 문턱전압(threshold voltage)을 넘지 못할 정도로 낮을때도 전류가 흐르지 않습니다. 게이트의 순방향전압은 드레인에 역방향전압을 흐르게하는데 도움을 줍니다.
<게이트의 전압이 축전기 사이로 인가되었을때 전자의 층이 형성됨>
전압이 소스와 게이트에 형성되는 문턱전압을 넘을 수 있는 전압이 게이트에서 걸리면 전자층이 형성됩니다.
이것은 전자들의 이동 통로 역할을 합니다.
<소스에서 드레인 방향으로 전자가 이동>
게이트에 전압이 높아지면 축전기(유전체)가 p형반도체와 축전기 사이에 전자를 끌어들여 N형반도체처럼 되는 반전층을 형성시킴으로써, 전자가 P형반도체를 통과하여 드레인으로 이동할 수 있게 됩니다(전자가 이동하는 것이지만 전류의 이동이라고 봐도 됨).
<어느 전압이상까지는 전류이동이 증가>
게이트의 전압을 높이면 반전층이 더욱 확대되면서 전자의 이동은 증가합니다. 반전층이 넓어질수록 선형영역이 넓어지므로 컨덕턴스(conductance,전류가 흐르기 쉬운 정도)가 증가합니다.
게이트전압이 증가하면 전자의 이동이 많아지나, 한계를 넘으면 포화되어 전류는 흐르지만 더이상 증가하지는 않습니다.
드레인의 전압이 게이트 전압보다 커지면 공핍층이 형성되면서 반전층이 사라져 전류의 이동이 점차 차단됩니다. 이것을 핀치오프(pinch off)라고 합니다.
그림으로 순서대로 설명을 해보면 아래와 같습니다.
게이트의 전압에 따라 드레인의 전류량이 변화합니다(전압제어로 전류조절).
전자를 이동시키며 또한 차단시킴으로써 0 또는 1의 정보로 활용합니다. 또한 게이트쪽에 전하가 저장되어있는지 아닌지의 여부로도 0 또는 1의 정보가 됩니다(게이트에 전하가 저장되어 있으면 소스에서 드레인쪽으로 전류가 흐를 수 있게 됨. 또한 회로의 설계에 따라 축전기에 전하의 저장 유무로 구별하는 방법도 있음.).
PMOS의 경우는 NMOS와 반대의 원리가 되며, 전압이 높은 소스(S)에서 전압이 낮은 드레인(D)으로 양공(+)이 이동합니다. 음(-)의 전압이 걸려 전류가 충분히 작아야 양공(+)이 이동 즉, 전류가 흐르며, 양의 전압이 걸리면 채널은 사라지고 전류도 차단됩니다.
<MOSFET 종류에 따른 기호>
CMOS (상보성 금속 산화막 반도체)
CMOS에서 두개의 MOSEFT는 각각 ON과 OFF의 스위치로 간주될 수 있습니다. 두가지 장점이 있는데 잡음내성과 낮은 소비전력입니다. 같은 입력신호에 대하여 P채널과 N채널이 서로 반대로 동작하므로 전원전압과 접지사이에 기본적으로 흐르는 전류 누설이 거의 없어지므로써 높은 밀도의 논리기능 칩이 가능하며, 한쪽의 트랜지스터는 꺼져있기 때문에 순간적인 전력만 소비하므로 소비전력이 낮습니다. 결과적으로 게이트 전압에 입력되는 제어 펄스를 1에서 0으로 변경하거나 0에서 1로 변경할때 노이즈 없이 입력 신호를 출력할 수 있습니다. 현대의 집적회로(IC)의 대부분은 CMOS로 구성되어 있으며, 자그만한 실리콘 조각에 두 유형(MOSFET의 NMOS, PMOS)으로 구성된 CMOS를 수십억개 가진 트랜지스터를 구성시킬 수 있습니다. COMOS Logic은 논리 기능에 p형과 n형의 MOSFET의 상호보완적이고 대칭적인쌍을 사용한 것으로써, 이는 과거에 쓰이던 BJT(접합형트랜지스터)를 CMOS처럼 연결했던 트랜지스터-트랜지스터 논리(TTL)를 대체하였고 CMOS는 TTL보다 10만배 적은 전력을 사용합니다.
전계효과트랜지스터는 접합형트랜지스터(BJT : pnp, npn)와는 달리 직렬 뿐만아니라 병렬로도 연결할 수 있고, 집적도가 높아 반도체(집적회로)에 많이 사용됩니다. 반도체 웨이퍼를 횡으로 자르면 오른쪽과 같은 전계효과트랜지스터를 볼 수 있습니다. 하나 하나의 트랜지스터는 셀(Cell)의 역할을 하고 반도체 칩하나에는 수십억개의 트랜지스터가 존재합니다. 하나 하나의 트랜지스터는 0 또는 1의 정보가 됩니다.
이상으로 트렌지스터 npn형 pnp형에 대한 설명을 마치겠습니다.
읽어주셔서 감사합니다.
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