[반도체 소자] 트랜지스터 기본 정리 (바이폴라 트랜지스터, MOSFET)

이전 포스터에서 불순물 반도체(P형, N형)의 특성 및 그것들을 활용한 P-N 접합 다이오드(P-N junction diode), 커패시터(capacitor)에 대하여 정리하였다. 이번 포스터에서는 P형, N형 반도체 및 P-N 접합 특성을 활용한 또 다른 소자인 트랜지스터에 대하여 정리하고자 한다.

 

 

 

 

트랜지스터 Transistor

트랜지스터는 전기 신호를 증폭하거나 스위칭하는 데 사용되는 반도체 소자[1]이다. 특히 컴퓨터와 같은 디지털 전자 장비에서는 매우 필수인 소자로, 주로 전기 신호를 키고 끄는 스위치의 기능으로 많이 사용된다. Fig 1.의 트랜지스터는 NPN 바이폴라트랜지스터의 예시이며, Fig 1.처럼 3가지 불순문 반도체(NPN or PNP 순서)를 이어붙여서 트랜지스터를 만들 수 있다.

 

Fig 1. NPN 트랜지스터 그림 [2]

 

 

 

트랜지스터는 크게 접합형 트랜지스터(바이폴라 트랜지스터, bipolar junction transistor, BJT)와 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)으로 구분된다.

 

바이폴라 트랜지스터는 3가지 불순물 반도체를 접합시켜 만든 트랜지스터로 P형-N형-P형 반도체를 연결해 만든 PNP 접합형 반도체, N형-P형-N형 반도체를 연결해 만든 NPN 접합형 반도체, 2 종류가 있다. 쌍극성(bipolar, 전자에 의한 전류와 정공에 의한 전류가 공존) 소자로 고전력, 고속소자에 응용된다.

 

전계효과 트랜지스터는 전기장을 이용하여 스위치 기능을 수행하는 트랜지스터로, 대체적으로 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET)이 있다. 단극성(unipolar, 극성의 캐리어 전류만 존재) 소자로 간단한 구조를 가져 저렴하여 고집적회로와 대량생산 가능하다.

 

 

 

바이폴라 트랜지스터 Bipolar Junction Transistor

Fig 1.은 NPN 바이폴라 트랜지스터를 나타낸다. Fig 1.에서 보면, 바이폴라 트랜지스터에는 이미터(emittor), 베이스(base), 콜렉터(collector) 3가지 단자를 가지고 있는데, 이미터는 전자를 방출한다는 의미, 콜렉터는 전자를 모은다는 의미이다. 일반적으로 이미터 단자에 연결된 N형 반도체는 고농도로, 베이스 단자에 연결된 P형 반도체는 얇게, 콜렉터 단자에 연결된 N형 반도체는 저농도로 두껍게 구현한다.

 

Fig 2. 바이폴라 트랜지스터 원리 [3]

 

Fig 2.은 NPN 바이폴라 트랜지스터에서 전류가 흐르는 모습을 나타낸 그림이다. NPN BJT는 두개의 접합면(이미터와 베이스 사이에 NP 접합, 베이스와 콜렉터 사이에 PN접합)을 가지고 있다. 따라서 위 그림에서 이미터(E)와 베이스(B) 사이의 NP접합은 순방향 전압이 인가되어 전류가 흐르고, 베이스(B)와 콜렉터(C) 사이의 PN접합에는 역방향 전압이 인가되어 전류가 흐르지 않아야 한다.

 

하지만 Fig 2.에서 보면 C단자에도 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다. 이것이 바로 BJT가 스위치(증폭) 기능으로 사용되도록 하는 특징이다. 일반적으로 PN접합에 역방향 전압이 인가되면 전류가 흐르지 않는다. 하지만 NPN 바이폴라 트랜지스터의 NP접합에 전류가 흐른다면 PN접합에도 역방향 전류가 흐를 수 있게 된다. 따라서 NP접합에 전류가 흐르는 지, 안 흐르는 지에 따라 콜렉터 단자에 전류가 흐르는 지 안 흐르는 지를 조절(스위칭)할 수 있다. 또한 E와 B 사이의 전압보다 B와 C 사이의 전압을 강하게 하는데, E와 B 사이에 전류가 흐를 경우 그 즉시 B와 C 사이에 더 강한 전류(증폭된)가 흐를 수 있고, 이를 이용해 증폭 효과를 얻는다.

 

간단히 원리를 설명하자면 다음과 같다. NP 접합면에 순방향 전압이 걸리면, 이미터의 전자가 베이스로 넘어가게 된다. 이때 이미터를 고농도(매우 많은 자유전자가 있음)로, 베이스를 매우 얇게 만들었기에, 이미터의 전자의 일부분이 베이스를 넘어 콜렉터로 넘어가게 된다. 따라서 콜렉터로 자유전자가 공급되기에, 자유전자는 콜렉터 단자를 통해 빠져남으로서 콜렉터 단자에도 전류가 흐르게 된다.

 

 

 

전계 효과 트랜지스터 Field Effect Transistor

전계 효과 트랜지스터(FET)은 전기장에 의해 전류가 조절되는 특성을 가진 반도체 소자[4]로 전기장을 활용한다는 의미로 저계 효과 트랜지스터라고 불린다. 가장 대표적인 FET은 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET)으로, 단극성 소자로 자유 전자가 전하를 운반하는 캐리어일 경우 N형 MOSFET, 정공이 전하를 운반하는 캐리어일 경우 P형 MOSFET이라 한다. Fig 3.은 N형 MOSFET의 단면 구조를 나타낸 것이다.

 

Fig 3. N형 MOSFET의 단면 구조 [4]

 

Fig 3.과 같이 금속, SiO2 산화물, 불순물 반도체(N형과 P형)로 구성되며, 금속에는 gate 단자가, N형 불순물 반도체에는 Source, drain 단자가 연결된다. N형 MOSFET은 drain에서 source로 전류가 흐르거나 흐르지 않게 하는 스위치 기능을 수행하는데, gate 단자가 스위치 기능을 수행한다. Source에서 drain으로 자유 전자가 흐르기(전류는 drain에서 source로)에 source 단자, drain 단자라는 이름이 붙었다. Gate에 (+) 전압이 인가되는지 안되는지에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않는다. SiO2 산화물은 금속과 불순물 반도체 사이의 절연체 역할을 수행한다.

 

Gate에 전압이 걸리지 않는 일반적인 경우에는 NP 접합면에 접촉전위가 생기며 전류가 흐르지 않는다. 하지만 gate 단자에 (+)전압을 인가할 경우 전류는 흐르게 된다. Fig 4.는 N형 MOSFET에서 자유전자가 이동할 수 있는 원리는 나타낸 그림이다.

 

Fig 4. N형 MOSFET의 원리 [4]

 

Gate 단자(금속)에 (+)전압이 인가될 경우, P형 반도체와 산화물의 접합면에 있는 P형 반도체의 정공은 밀려나고, 자유 전자는 당겨지기에  (-)전압을 띄게 될 것이다. 따라서 산화물을 따라서 자유전자로 이루어진 통로(channel, 채널)가 생기게 된다. 이 통로가 Source의 N형 반도체와 Drain의 N형 반도체를 연결시키게 될 경우, source부터 drain으로 자유 전자가 흐를 수 있게 된다. 따라서 drain 단자에서 source 단자로 전류가 흐르게 된다. 

 

즉 N형 MOSFET은 gate 단자에 (+) 전압이 걸리면 전류가 흐르고, 걸리지 않으면 전류가 흐르지 않는 방식으로 스위칭 동작을 수행한다. P형 MOSFET은 반대로 gate 단자에 (-) 전압이 걸리면 정공에 의한 전류가 흐르고, 걸리지 않으면 전류가 흐르지 않는다.

 

 

 

Reference

[1] https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8A%B8%EB%9E%9C%EC%A7%80%EC%8A%A4%ED%84%B0

[2] https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?isHttpsRedirect=true&blogId=applepop&logNo=220531298997

[3] https://news.samsungdisplay.com/23538

[4] https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9E%A5%ED%9A%A8%EA%B3%BC_%ED%8A%B8%EB%9E%9C%EC%A7%80%EC%8A%A4%ED%84%B0