트랜지스터 [ transistor ]

1. 트랜지스터의 개요
- 트랜지스터는 1947년 미국 벨연구소의 윌리엄 쇼클리(Wiliam Shockley), 존 바딘(John Bardeen), 월터 브래튼(Walter Brattain)이 처음으로 발명하였다. 보통 트랜지스터는 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor: BJT)를 의미하며 전기장 효과를 이용한 전기장 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor: FET)가 있다.
- 트랜지스터는 기본적으로는 전류를 증폭할 수 있는 부품이다. 아날로그 회로에서는 매우 많은 종류의 트랜지스터가 사용되지만 디지털 회로에서는 그다지 많은 종류는 사용하지 않는다. 디지털 회로에서는 ON 아니면 OFF의 2차 신호를 취급하기 때문에 트랜지스터의 증폭 특성에 대한 차이는 별로 문제가 되지 않는다. 디지털 회로에서 트랜지스터를 사용하는 경우는 릴레이라고 하는 전자석 스위치를 동작시킬 때나 (릴레이는 구동전류를 많이 필요로 하기 때문에 IC만으로는 감당하기 어려운 경우가 있음), 발광 다이오드를 제어하는 경우 등이다. 트랜지스터는 반도체의 조합에 따라 크게 PNP타입과 NPN타입이 있다. (PNP타입과 NPN타입은 서로 전류의 방향이 다름)


2. 트랜지스터의 구조와 종류



- 트랜지스터는 규소나 저마늄으로 만들어진 P형반도체와 N형반도체를 세 개의 층으로 접합하여 만들어진다. E(emitter)로 표시되는 에미터에서는 총 전류가 흐르게 되고 얇은 막으로 된 베이스(B; base)가 전류흐름을 제어하며 증폭된 신호가 컬렉터(C; collector)로 흐르게 된다. 접합의 순서에 따라 PNP형 혹은 NPN형 트랜지스터라 명명한다. NPN형인 경우 전류는 에미터 쪽으로 흐르고 PNP형인 경우 에미터에서 나가는 방향으로 전류가 흐른다. 이를 전자회로의 기호표기에서 전류방향을 화살표로 나타낸다.


3. 트랜지스터의 특징
- 트랜지스터의 전원 연결은 에미터 쪽에 그려진 화살표 방향으로 전류의 방향이 되도록 연결한다. 기본적으로 PN접합이 양쪽에 있는 형태이므로 다이오드에서와 같이 접합면에서 전자의 확산에 의해 공핍층이 생기고 결과로 공핍층 전기장이 생겨 더 이상의 전자의 확산을 막게 된다.



- (a)에서 처럼 베이스와 에미터 간에 전원이 없이 연결된 상태에서는 베이스와 에미터가 같은 전위이므로 전류가 흐르지 않는다. 베이스 간에 전원에 의한 전기장 방향(+에서 -전압방향)이 공핍층 전기장 방향과 같은 역방향 바이어스이므로 전류가 흐르지 않는다. 그런데 (b)와 같이 베이스와 에미터 간에 공핍층 전기장에 반대방향의 순방향 전원을 연결하면 전자가 움직이게 된다.
- 한편, 베이스와 컬렉터 사이에는 공핍층과 같은 방향의 역방향 전기장이 형성되어 컬렉터 부분의 N형 반도체의 다수 캐리어인 전자는 움직이지 않게 된다. 그런데 베이스와 에미터 간의 순방향 전원에 의해 이동된 전자에 대해서는 베이스와 컬렉터 사이의 전기장 방향이 순방향 바이어스가 되어 에미터에서 이동한 전자들이 컬렉터 쪽으로 흐르게 된다. 참고로 전자의 이동방향은 전기장방향의 역방향이며 전류방향의 역방향이다. 이때 컬렉터로 흐르는 전류는 베이스로 흐르는 전류에 비해 증폭된 형태로 나타나게 되므로 베이스에 작은 신호가 컬렉터에 증폭되어 나타나 트랜지스터는 증폭기로 사용된다.


4. 트랜지스터의 역할
- 증폭과 스위칭.
- 라디오 안에 들어있는 트랜지스터를 예로 들면, 공중을 통해 전해진 매우 미약한 신호의 강약을 확대(증폭)하여 스피커를 울리는 것이다. 이러한 역할을 하는 것이 트랜지스터의 증폭 작용이다. 입력 신호의 파형을 바꾸지 않고 그 전압과 전류의 크기만을 확대하는 것이다. 이러한 역할은 아날로그 신호일 경우이며, 컴퓨터 등에서 사용되는 디지털 신호의 경우, 트랜지스터는 0과 1을 전환하는 스위치의 역할을 한다. IC 와 LSI 는 결국 트랜지스터의 집합이며, 그 역할의 기본이 되는 것은 트랜지스터의 증폭 작용이다.


5. 트랜지스터의 증폭 원리
- 트랜지스터는 게르마늄이나 규소(실리콘)의 단결정 소편에 불순물을 첨가하되 불순물의 종류가 p형과 n형이 있기 때문에 pnp의 순서로 3층 구조로 만들 때도 있는데, 각 층에서 단자(端子)를 내기 때문에 3단자의 소자이다.
- pnp의 경우, 왼쪽단자와 연결된 p층에서 양공(陽孔, hole:격자 질서상 있어야 할 곳에 전자가 없는 상태, 정공이라고도 함)을 중간층(베이스층)에 방출하는데, 이 방출기능으로 해서 왼쪽 부분의 이름이 이미터이며, 중간층 베이스를 통과하여 가장 오른쪽 p형 부분에서 양공들이 수집되기 때문에 가장 오른쪽 부분을 컬렉터라고 한다.



- npn형 트랜지스터의 경우는 이미터로부터 컬렉터로 가는 것이 양공이 아니고 전자가 되어 컬렉터에 양전위를 인가하여야 한다(pnp의 경우는 음전위). pnp형 반도체의 조합은 서로 마주보고 있는 다이오드의 조합과 등가(等價)이다. 이 조합에 그림과 같이 전지(電池)를 결선해 주면 이미터-베이스 간에는 순방향, 베이스-컬렉터 간에는 역방향의 전압이 걸리게 된다. 이미터-베이스 간은 순방향이기 때문에 전기의 주된 운반체(carrier)인 양공이 이미터에서 베이스에 흘러들어가게 된다.
- 만일 베이스의 두께가 충분히 얇아 전자와의 재결합이 안 되는 양공이 대부분이라면, 이미터에서의 전류는 컬렉터의 전류와 거의 같아지는데, 이때 컬렉터에는 수~수십 V가 걸려 있기 때문에 쉽게 끌려가게 된다. 베이스층에서 전자와 결합된(극히 일부) 양공이 베이스 전류로 흐르게 되는데 작은 베이스전류로 큰 컬렉터전류를 지배할 수가 있다.
- 베이스에서 재결합하는 양공에 해당하는 전류와 컬렉터에 제대로 도달하는 양공전류와의 비(比)를 그 트랜지스터의 전류 증폭도라고 말하는데, 보통 제품에 있어서는 10~200이다. 컬렉터측에 적당한 부하저항을 결선하면 30~200의 전압증폭도를 얻을 수 있다. 트랜지스터는 증폭작용 외에도 변조·복조·발진 등도 행할 수 있으며, 클립·슬라이스 등의 파형정형(波型整形)이나 스위칭은 진공관보다 더 성능이 좋다.