바이폴라 트랜지스터

NPN-PNP-트랜지스터

트랜지스터

트랜지스터는 주로 실리콘으로 구성된 반도체 장치입니다. 3개의 단자를 가지며 우리가 사용하는 집적 회로(IC)의 대부분은 섬세한 트랜지스터의 집합체입니다. 그 외, 스마트폰이나 PC, 자동차, 인터넷 등 모든 전자 기기에 사용되고 있습니다. 트랜지스터의 가장 큰 특성은 스위칭 작용과 전류 전압의 증폭 작용입니다. 입력 단자로부터 외부 신호를 받지만, 내부적으로 온 오프를 전환하는 스위칭 작용을 하는 것으로 받은 미약한 신호를 원하는 전류 전압이나 신호로 변환시키기 위해서 이용되어 왔습니다.

 

이와 같이 온 오프로 임의의 전환을 실시할 수 있는 소자를 자기 소호 소자라고 부릅니다. 또한 증폭 작용은 어떤 전자 기기에도 필수적인 기능입니다. 발진 회로라고 하는 전자기기의 근간을 이루는 것에 사용되고 있는 것을 감안하면, PC, 스마트폰, 가전제품 등 우리의 주변의 모든 기기에 트랜지스터가 들어 있습니다.

트랜지스터의 시작은 1948년입니다. 그때까지는 반도체라는 것이 없었으며 다이오드의 정류 작용이나 트랜지스터의 증폭 작용 등을 포함해 진공관이 그 역할을 담당하고 있었습니다. 진공관이란 유리 등의 내부에 여러 전극을 배치한 것으로 내부가 진공 상태가 됩니다. 이 진공관은 용량이 크고 소비 전력도 크기 때문에 전자 기기의 소형화에는 적합하지 않았습니다.

 

이후 소형화, 경량화가 용이하고 소비 전력도 적고 긴 수명을 자랑하는 트랜지스터가 그 역할을 맡게 됩니다. 현재 모든 전자기기가 소형화되어 있는 것은 이 트랜지스터 덕분이라고 해도 좋을 것입니다. 참고로 진공관이 전혀 없어졌느냐 하면 그렇지 않고, 간혹 '음향 기기의 앰프는 반도체보다 진공관이 음질은 좋다'라는 생각을 가지고 있어서 진공관 앰프를 자작하는 분도 계신 것 같습니다.

 

트랜지스터의 원리와 각각의 종류에 따른 구조

트랜지스터는 반도체이며, p형 반도체와 n형 반도체를 이용해 3상 구조를 형성합니다. 그리고 그 특성을 활용해 증폭 작용이나 스위칭 작용을 실현하고 있습니다. 즉, 실리콘에 불순물을 섞고(도핑), 물질 내의 가전자의 수에 차이를 두어 일정한 상황 하에서 전류가 흐르거나 흐르지 않는 반도체로서의 특성을 이용하게 됩니다.

 

각각의 3상 반도체의 명칭은 전하를 모으는 '컬렉터', 전압 인가에 의해 제어를 하는 '베이스', 전하를 출력하는 '이미터'로 정의됩니다. 그러나 종류에 따라 구성이 다르고 자연스럽게 구조가 달라집니다. 트랜지스터의 대표적인 분류인 바이폴라 트랜지스터, 유니폴라 트랜지스터로 나눌 수 있습니다.

 

바이폴라 트랜지스터

바이폴라 트랜지스터란 플러스와 마이너스 두 종류의 극성의 전하가 각각 서로의 동작에 관여하는 트랜지스터를 말합니다. 베이스에 흐르는 전류의 일정 배의 전류를 수집가에게 흐르게 합니다. 라틴어로 2를 '바이'라고 부르기 때문에 이렇게 이름 붙여졌습니다. 그리고 베이스 전류로 수집기 전류를 제어하기 때문에 전류 구동형 트랜지스터라고 합니다.

 

구조를 확인해 보면 n형 반도체와 p형 반도체를 샌드위치 모양으로 구성되어 있습니다. n형 반도체가 음(-)인 전하의 전자가 이동함으로써 전류가 생기는 반도체, p형 반도체가 양(-)인 전하의 정공이 이동함으로써 전류가 생기는 반도체입니다. p형 반도체는 전자가 부족하고, n형 반도체는 전자가 남아도는 상태로 되어 있습니다. 트랜지스터에는, p형 반도체를 n형 반도체로 끼우는 NPN 트랜지스터와 반대의 PNP 트랜지스터가 존재합니다.

NPN트랜지스터

NPN 트랜지스터는 n형 반도체 사이에 p형 반도체를 샌드위치 모양으로 끼운 것입니다. p형 반도체는 n형 반도체에 비해 매우 얇게 설계되었습니다. PNP 트랜지스터도 있습니다만, 실제 회로에서는 NPN 트랜지스터가 상대적으로 많이 사용되고 있습니다. NPN 트랜지스터의 구조는 컬렉터, 베이스, 이미터로 구성되어 있습니다. 베이스는 제어 역할을 하며, 베이스 단자에서 전압을 인가하는 경우와 하지 않는 경우로, 전류가 흐르거나 흐르지 않거나 합니다.

베이스에 전압을 인가하지 않는 경우는 이미터 측과 컬렉터 측이 각각 마이너스와 플러스가 되도록 전압을 걸면 이미터의 n형 반도체 내에 있는 자유전자와 사이에 낀 p형 반도체의 정공이 결합함으로써 공핍층이 생깁니다. 결과적으로 전류는 흐르지 않습니다. 이것을 역 바이어스라고 부릅니다.

한편 이미터, 컬렉터 각각이 역시 마이너스와 플러스가 되도록 전압을 걸고, 베이스 단자로부터 플러스의 전압을 걸어줍니다. 순방향 바이어스에 해당하므로 이미터에서 공급된 자유전자가 정공에 이끌려 베이스로 흘러들어 이미터-베이스 간에 전류가 흐릅니다. 이것을 베이스 전류라고 부릅니다. 이때 이미터-컬렉터 사이에는 각각 마이너스와 플러스 전압이 인가되어 있었습니다. p형 반도체는 매우 얇기 때문에, 이미터 내부의 자유 전자는 거기에 머무르지 않고, 컬렉터 쪽으로 이동해 갑니다. 이것은 전기가 흐르는 길이 생기는 것이 되어, 결과적으로 플러스의 컬렉터에서 마이너스의 이미터로 전류가 흐르는 컬렉터 전류가 됩니다.

즉, 베이스에서 전압을 인가하여 이미터-베이스 간에 소량의 전류를 흘려줌으로써 이미터-컬렉터 간에 흐르는 전류가 현격히 늘어나 결과적으로 증폭작용을 하였습니다. 그렇다고 해도 전원 전압보다 큰 신호를 출력하는 경우는 없습니다. 또, 베이스에서 전압의 온 오프로 전류 제어를 실시할 수 있기 때문에, 스위칭으로서도 이용할 수 있는 것입니다. 정공과 자유전자가 모두 동작에 관여하기 때문에 '바이폴라'(쌍극)라고 불립니다.

 

PNP 트랜지스터

PNP 트랜지스터는 NPN 트랜지스터의 반대로, p형 반도체 사이에 극히 얇게 설계한 n형 반도체를 끼워 넣은 소자입니다. 구조는 NPN 트랜지스터와 같으며 베이스에 의해 전류 제어를 합니다. 단, 반도체의 정렬 순서가 다르므로 베이스에 거는 전압은 마이너스가 됩니다.