반이아빠의 장난감 속 반도체 - 노래하는 반이 3편, 트랜지스터의 작용

(지난 호 트랜지스터의 증폭작용에서 이어집니다) 트랜지스터는 증폭작용 이외에도 다른 중요한 일을 할 수 있습니다.

아래 그림에서 보면, (가)회로의 PNP 접합 트랜지스터를 보면 왼편의 P-N 접합은 인가된 전원으로부터 순방향이어서 전류가 흐를 수 있지만, 오른편의 N-P 접합은 전원의 +극성이 Negative에, -극성이 Positive 쪽으로 역방향 연결된 상태라 전자의 이동이 없어 전류가 흐를 수 없습니다.

하지만 (나)회로와 같이 전원 회로를 하나 더 연결하여 전압을 추가하면 오른편의 P-N접합도 순방향이 되므로 전자의 이동이 발생하여 전류가 흐를 수 있습니다. 이처럼, 추가 전원의 연결 여부가 전류의 흐름을 결정하는 것을 트랜지스터의 스위치 작용이라고 합니다.

▲ 트랜지스터의 스위치 작용 ⓒ양원모

스위치 작용은 주로 컴퓨터를 만들 때 사용합니다. 요즘에는 대부분 전기용품이 컴퓨터로 이루어져 있지요. 컴퓨터 속에는 디지털 회로가 들어 있는데, 이 디지털 회로의 작동 원리는 2진수의 원리 즉 ‘0’과 ‘1’이라는 두 가지 신호로만 작동되도록 설계된 것입니다.

두 가지 신호란, 예를 들어, 스위치를 올려서 형광등에 불이 켜진 ON 상태를 ‘1’, 스위치를 내려서 형광등의 불이 꺼진 OFF 상태를 ‘0’이라고 하는 것과 같습니다. 이러한 두 가지의 상태를 트랜지스터가 조절할 수 있는데, 아래 그림에서처럼 베이스와 연결된 전류를 ON, OFF 함으로써 이미터와 컬렉터 사이에 흐르는 전류를 ON, OFF로 조절할 수 있다는 것입니다.

▲ 베이스 전류에 따른 Ic-Vc 변화

즉, 아래 그림과 같이 베이스 전류 Ib를 흐르게 하면 컬렉터 전압은 거의 이미터 전압이 되어 ON 상태의 스위치로서 기능하고, Ib를 흐르지 않게 하면 거의 전원 전압이 되어 OFF 상태의 스위치 기능을 하게 되지요.

▲ 베이스 전류에 따른 스위치 작용

현대사회에서 없어서는 안 될 스마트폰, TV 등의 각종 전기용품 속에는 디지털 회로가 들어가 있는데요, 이 디지털 회로를 구성하는 트랜지스터가 스위치 작용을 할 수 있도록 설계되어 있답니다.

한편, 트랜지스터는 크게 바이폴러 트랜지스터(Bipolar Transistor)와 FET(Field Effect Transistor)로 나누고 FET는 JFET(Juction FET)와 MOS(Metal Oxide Silicon FET)로 구분합니다. 윌리엄 쇼클리가 발명한 트랜지스터가 바이폴러 트랜지스터이고, 그 후 JFET, MOS가 순차적으로 발명되었습니다.

쇼클리가 트랜지스터를 발명했을 당시에는 그냥 트랜지스터였는데, 이후 FET가 생겨나니 FET와 구분하기 위해서 바이폴러 트랜지스터라고 불렀습니다. FET도 추후 MOSFET가 발명되면서 이와 구분하기 위해 JFET라고 부르게 되었습니다. MOSFET은 보통 MOS라고 많이 부르고 있지요. MOS는 다시 PMOS만 가지고 설계와 제조를 하는 PMOS 기술, NMOS만 가지고 설계와 제조를 하는 NMOS 기술, 그리고 이 두 가지 모두 사용하는 CMOS 기술로 발달해 왔습니다.

트랜지스터의 작용은 반도체의 가장 기초적이면서도 중요한 역할을 합니다. 이 동작의 개념을 이해하면 반도체의 핵심에 상당히 근접했다고 할 수 있답니다. 기회가 된다면 나중에 FET와 IC에 대해서도 알아보도록 하겠습니다. (다음 호에는 잠시 가벼운 내용으로 ‘노래하는 반이 3편, 스피커’ 편이 소개됩니다)

참고도서 / 「반도체 제대로 이해하기」, 「만화로 쉽게 배우는 반도체」, 「쇼클리가 들려주는 반도체 이야기」

감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장