BJT(Bipolar Junction Transistor)와 FET(Field Effect Transistor)

이번 시간에는 BJT와 FET에 대해서 조금 더 알아보도록 하겠습니다. 트랜지스터란 콜렉터(C), 베이스(B), 이미터(E)로 구성되어 스위치와 같은 역할을 해주는 능동 소자라고 소개해 드렸었는데요. 리마인드가 필요하시면 지난번 포스팅을 참고하시면 될 듯 하네요.

능동 소자(Active Element)

능동 소자(Active Element) ▪ 작은 신호(전력, 전압, 전류 중 하나)를 넣어 큰 출력 신호로 변화시킬 수 있는 전자 부품 소자 ▪ 입력과 출력의 비율로 이득을 얻음 ▪ 단독 사용이 힘들고 주위

moonnote.tistory.com

크게 트랜지스터는 양극성 트랜지스터(Bipolar Transistor), 단극성 트랜지스터(Unipolar Transistor)로 나뉩니다. 양극성이 BJT, 단극성이 FET이라고만 알아두고 본격적으로 BJT와 FET에 대해 하나씩 살펴보도록 하겠습니다.

BJT(Bipolar Junction Transistor)

양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT) 또는 간단히 트랜지스터라고 부르는 것이 BJT이며 전류 제어용 소자입니다. hole과 electron이 모두 전류를 흘리기 때문에 양극성이라는 이름이 추가로 붙은 것이고 NPN, PNP 타입으로 나뉘어집니다. NPN, PNP란? n형 가운데에는 p형을 끼워 넣고, p형 가운데에는 n형을 끼워 넣은 구조를 말합니다. 현재의 부품들은 아래의 그림과 같이 실리콘 웨이퍼에 평면 도핑을 하여 만들어진다고하니 참고하시면 되겠습니다.(기호 : 화살표가 있는 곳이 Emitter이고 화살표가 가르키는 곳이 N 타입, 이미지 : n형 반도체 위에 p형과 다시 n형을 도핑)

BJT는 두 개의 p-n 접합 다이오드(junction diode)가 붙어있는 형태인데요. 서로 상대적이며 NPN BJT 타입으로 보통 설명하기에 본문 역시 NPN BJT 타입으로 설명을 이어 나가보도록 하겠습니다. 아래의 이미지가 NPN BJT입니다.

트랜지스터는 기본적으로 입력 전류(Base Current)가 출력 전류(Collector Current)를 컨트롤합니다. BJT 제작의 4가지 조건(¹Emitter 농도는 높게, ²Collector 농도는 낮게, ³Base 폭은 짧게, ⁴Collector 폭은 두껍게) 중 하나가 "Base 폭은 짧게"인 것처럼 작은 전류가 큰 전류를 제어하는 형태인 것이죠. 여기서 말하는 작은 전류는 Base, 큰 전류는 Collector입니다. 동작 원리를 위해 바이어스 방식부터 알아두는 것이 좋은데요. 각각의 접합 지점에 대해 순방향 바이어스와 역방향 바이어스로 총 4가지 경우가 있습니다.

테이블을 참조해본 것처럼 정상 모드로 동작시키기 위해서는 B-E로 흐르는 순방향 바이어스와 B-C로 흐르는 역방향 바이어스를 걸어줘야합니다. B-E에 순방향 바이어스 전압을 걸어주면 pn접합이 순방향 바이어스 된 것과 같은 다이오드와 비슷하게 작동하게 됩니다. 그러다가 B-C에 역방향 바이어스가 걸리면 전자의 일부만 베이스로 나가게 되고 나머지 전자들은 더 높은 전압이 걸린 C쪽으로 끌려가죠. 이 원리를 가지고 BJT 제작 조건 중 "Base 폭은 짧게"를 생각해보면, 베이스 길이가 길어진다면 일부 전자가 아닌 모든 전자가 결합되기 때문에 Base를 짧게 둔다고 보시면 되겠습니다.

NPN BJT :  순방향 바이어스(JE)와 역방향 바이어스(JC), [이미지 출처 : Wikiwand]

이제 여기에서 전류 관계를 살펴보기 위해 우리가 익히 알고있는 키르히호프의 제1법칙(전류 법칙) "유입 전류의 합은 유출 전류의 합과 같다."를 가지고 아래와 같이 수식으로 표현할 수 있습니다.

위의 수식에서 보는 것처럼 Base에 흐르는 전류는 무시할만큼 매우 작기 때문에 Emitter의 전류와 Collector의 전류는 거의 같다라고 생각할 수 있습니다. 여기에서 트랜지스터의 증폭 개념을 유추할 수 있는데요. 입력 전류에 해당하는 Base, 출력 전류에 해당하는 Collector로 이와 같은 내용을 다룬 스펙이 \(h_{FE}(\beta )\) 입니다. (α는 'Collector전류/Emitter전류' 스펙으로 Base에 전류가 무시될만큼 작은 것을 생각해보았을 때 거의 같으므로 1에 가깝다고 보시면 되겠습니다.)

FET(Field Effect Transistor)

FET(Field Effect Transistor)은 전압 제어용 소자로 단극성(Unipolar) 트랜지스터입니다. BJT는 Emitter, Base, Collector로 이루어져 있는 것과 달리 FET은 Drain, Source, Gate로 나뉘어져 있다는 구조적 차이가 있습니다. 제조하는데 있어서 공정 단계가 간단한 것 뿐만아니라 사용되는 장비의 개수가 적어 경제적이라는 장점이 있는데요. FET은 크게 접합 FET(JFET)과 금속산화막 반도체 FET(MOSFET) 2종류로 나뉘는데요. 하나씩 살펴보겠습니다.

JFET(Junction Field Effect Transistor)

가장 단순한 유형입니다. JFET은 3단 반도체 소자로 전자 제어 스위치 또는 저항으로 사용하거나 증폭기를 조립하는 데 사용할 수 있습니다. BJT와 달리 전류를 필요로 하지 않는다는 점에서 배타적으로 전압 제어됩니다. 전하가 소스와 드레인 단자 사이의 반도체 채널을 통해 흐르고 이 때 게이트 단자에 역바이어스 전압을 인가함으로써 채널을 "핀치"하여 전류를 방해하거나 완전히 차단합니다. 게이트와 소스 사이에 전압이 0일 때 일반적으로 ON 상태이고, 게이트와 소스 단자 사이에 적절한 극성의 전위차가 적용되면 JFET 전류 흐름에 대해 저항성이 높아지게 됩니다.(저항성이 높아진다는 것은 소스와 드레인 사이의 채널에서 흐르는 전류가 적다는 것을 의미)

위의 N-Channel JFET 구조에서 소스는 캐리어가 유입되는 단자이고, 드레인은 캐리어가 유출되는 단자입니다. 게이트는 채널과 다른 형의 반도체를 확산한 영역이고 채널은 소스에서 드레인까지 다수의 캐리어가 지나는 영역으로 두 게이트 사이에 존재합니다. 게이트는 드레인과 소스 사이의 전류를 조절하는 역할을 하는데요. 아래의 이미지처럼 수도꼭지와 같은 역할이라고 보시면 되겠습니다.

게이트 소스 전압(\(V_{GS}\))과 드레인 소스 전압(\(V_{DS}\))의 전압 변화에 따라 어떻게 동작하는지 좀 더 살펴보면 다음과 같은 3가지 변화가 발생합니다.(\(V_{GS}\)=0, \(V_{DS}\) 증가)

1. n-영역과 p-영역 사이의 고갈 영역은 크기가 커짐

2. n 채널이 작아지고 저항이 증가

3. 저항이 증가함에도 불구하고 소스에서 드레인까지의 전류는 드레인 소스 전압이 증가하기 때문에 증가

게이트 전압이 0으로 유지되고 드레인 소스 전압이 계속 상승하면 결국 트랜지스터는 핀치 오프하게되고 아래의 이미지처럼 채널이 닫히게 됩니다. 핀치 오프를 하게되면 드레인 전류가 0으로 떨어지는 것처럼 보일 수 있지만 이 상태에서 드레인 전압이 더 높아지더라도 전류는 일정하게 유지됩니다. 이 일정한 전류를 \(I_{DSS}\)라고 합니다.(게이트와 소스 사이가 단락되었을 때 드레인과 소스로 흐르는 전류)

게이트와 소스 사이 전압 0V일 때(좌측)와 핀치 오프(우측)일 때 (이미지 출처 : Engineering360)

MOSFET(Metal oxide semiconductor Field Effect Transistor)

금속산화막 반도체 FET은 디지털 회로와 아날로그 회로에서 가장 일반적인 FET으로 줄여서 MOSFET(모스펫)이라고 부릅니다. N형 반도체나 P형 반도체 재료의 채널로 구성되어 있고, 이 재료에 따라서 크게 NMOSFET, PMOSFET, 두 가지를 모두 가진 CMOSFET으로 분류됩니다. 보통 NMOSFET이 PMOSFET보다 많이 쓰이므로 NMOSFET 기준으로 설명드리도록 하겠습니다. 아래의 이미지가 N-Channel MOSET에 대한 이미지입니다.

Drain, Gate, Source 3단자 중에서 Gate를 주목해보면 Gate가 "문 역할"을 해주는 것인데 게이트가 ON될 때 Drain에서 Source로 전류를 흐르게 해주거나 OFF시 막아주는 스위치 역할을 합니다. Gate의 전압에 따라 차단 상태와 도통 상태로 동작한다고 보시면되는데 도통 상태에서는 다시 드레인 전압에 의해서 비포화 영역과 포화 영역으로 나뉘어집니다. 정리하자면 차단 영역(Channel off), 비포화 영역(Linear region), 포화 영역(Saturation region) 3가지라 할 수있겠네요. 이번 포스팅에서는 공핍형에 대해서만 다룰 예정이므로 증가형에 대한 부분이 궁금하신 분은 추가로 검색 부탁드리겠습니다. 작동 방식을 보면 Gate의 전압이 (-)일 때와 (+)일 때로 나뉘어 생각해볼 수 있습니다.

첫 번째로 Gate에 (-)를 인가했을 때, (-)전압에 의해 전기장이 발생하고 인력에 의해 P-Substrate의 정공들이 게이트 밑 부분으로 끌려가게됩니다. 그렇게되면 정공들에 의해 P 영역이 확장되어 N 영역과 연결되어있는 통로를 줄어들게 만들어버리는 것이죠. 점점 줄어들다 결국엔 통로가 막혀 전류가 더 이상 흐를 수 없게됩니다. 전류를 차단하게 만드는 것이죠. 반대로 Gate에 (+)를 인가했을 때, 척력에 의해서 정공을 밀어내는 효과가 생깁니다. 정공을 밀어내면서 N 영역이 확장되고 통로가 점점 커지므로 전류 이동이 증가하게 되는 것이죠.

Gate에 전압을 따로 인가하지 않아도(\(V_{GS}\)=0) 기본적으로 Drain과 Source간에 N 영역 통로가 연결되어 있어서 전류가 흐를 수 있는데 이 의미는 전류가 흐르는 공핍형 MOSFET은 Gate 역전압을 통해서 전류를 차단해주어야지만 스위치로써의 역할을 할 수 있다고 보시면 되겠습니다. 아래의 이미지는 공핍형 NMOSFET의 I-V 그래프이고 게이트 소스 전압(\(V_{GS}\) = \(V_{G}\) - \(V_{S}\))은 양수 값을 가지게 됩니다.