유니폴라 트랜지스터

N-Channel-MOSFET

유니폴라 트랜지스터 또한 p형 반도체와 n형 반도체로 만들어지는데 구조가 바이폴라 타입과 다릅니다. 정공과 자유전자 어느 쪽이 동작에 관여하기 때문에 그리스어로 1을 나타내는 '유니'를 따서 유니폴라라는 이름이 붙여졌습니다. 또한 바이폴라 트랜지스터와 달리 전류가 통하는 길의 폭을 제어하기 때문에 전압 구동형이 됩니다. 유니폴라 트랜지스터라고 하면 FET를 들 수 있습니다.

FET란 Field Effect Transistor의 앞 글자를 딴 것으로, 번역하면 전계 효과 트랜지스터입니다. 또한 FET는 접합형 FET와 MOSFET로 분류되지만 현재는 주로 MOSFET을 사용하고 있습니다. 이 MOSFET에 대해서 설명하면 MOS는 Metal Oxide Semiconductor의 약자로, 금속 산화막 반도체를 가리킵니다. 즉, 금속(Metal)과 산화물막(Oxide)과 반도체를 적층 시킨 것입니다. 일반적으로는 반도체의 실리콘의 표면을 산화시켜 SiO2(이산화 실리콘 막)을 형성합니다. 그 위에 전극으로 금속을 붙인 구조로 되어 있습니다.

바이폴라 트랜지스터와 달리 p형 반도체로 n형 반도체를 끼워 넣는 것이 아니라 n형 반도체를 두 군데 적층 시키는 구조입니다. 또한 n형 반도체에 p형 반도체를 적층 시키는 형태도 있습니다. MOSFET도 단자(전극)를 3개 보유하고 있습니다만 컬렉터 베이스 이미터라고 부르지 않고 드레인 게이트 소스의 호칭을 이용합니다. 역할로는 전자, 후자 각각이 대조를 이루고 있으며 전하의 배출이 드레인, 제어가 게이트, 전하의 근원이 소스가 됩니다. MOSFET도 몇 가지로 분류됩니다.

 

N채널형 MOSFET

p형 반도체를 바탕으로 n형 반도체에 해당하는 소스 및 드레인을 적층 시키고 Metal Oxide, 즉 금속 산화물을 거기에 붙인 구조가 N 채널형 MOSFET입니다. 금속 산화물 반대편에는 서브스트레이트(기반)가 배치되어 소스와 연결되어 있습니다. 바이폴라 트랜지스터와 같이, n형 반도체 각각에서는 소스, 드레인, 금속 부분에서는 게이트의 단자로 구성되어 있습니다.

 

PN 접합이 된 반도체는 그대로 소스, 드레인감에 전류를 흘렸다고 해도 거의 흐르는 일은 없습니다. 드레인, 소스 각각에 플러스와 마이너스가 되도록 전류를 흘리고 게이트로부터 플러스의 전압을 인가합니다. 그러면 p형 반도체에 약간 있는 자유전자가 플러스 전압을 감지해 금속산화물 부분에 접근하고 정공은 반대로 내부로 끌어당겨집니다.

결과적으로 소스-드레인 간에 자유 전자가 이동할 수 있게 되어 전류가 흐릅니다. n형 반도체 부분이 전자의 통로가 되기 때문에 N 채널형 MOSFET이라고 불리게 되었습니다. 바이폴라 트랜지스터도 동일하지만 제어를 담당하는 게이트는 말하자면 수문과 같은 것입니다. 게이트를 열고 닫음으로써 물을 막거나 흘려보냅니다. 또한 게이트에서 건 전압이 클수록, 드레인으로부터 소스로 전류 이동량이 증가하기 때문에, 보다 많은 전류를 흘릴 수 있습니다.

 

P채널형 MOSFET

P 채널형은 N 채널형과 반대로 토대로 n형 반도체, 전류의 통로로 p형 반도체가 사용된 MOSFET입니다. 역시 동작 원리는 같지만 드레인, 소스는 각각 마이너스와 플러스가 되도록 게이트에 거는 전압은 마이너스가 되도록 합니다.

 

인핸스먼트형과 디프레션형

사실 MOSFET에 한하지 않고 전해 효과 트랜지스터는 구조의 차이 외에 전류의 흐름에 따라서도 분류가 있습니다. 2가지로 분류한다면 인핸스먼트형과 디프레션형입니다. 인핸스먼트형은 지금까지 소개한 MOSFET 구조와 같이 게이트 전압을 인가하여 전류가 흐르는 사양의 FET입니다. 이 설계를 노멀리 오프라고 부릅니다. 인핸스먼트(enhancement, 증가라는 의미), 즉 게이트 전압의 증가에 의해 구동된다는 것입니다. MOSFET의 대부분은 인핸스먼트형이 채용되었습니다.

한편 디프레션형은 게이트에 전압을 인가하지 않고도 전류가 흐르도록 설계된 FET입니다. 이 설계를 노멀리 온이라고 부릅니다. 노멀리 온의 FET는 채널 사이에 처음부터 p, n의 반전층을 만들어 두고 전류가 흐르지 않도록 하고 있습니다. 역전압을 가하면 전류는 흐르지 않게 됩니다. 디프레션(depletion, 감소라는 의미), 즉 게이트 전압을 감소시키고 있다는 것입니다. 일반적으로 FET라고 불리는 JUNCTION-FET의 대부분이 디프레션형을 채용하고 있습니다.

 

CMOS (시모스)

n 채널형 MOS FET와 p 채널형 MOS FET 두 가지를 조합하여 논리회로를 구성하며 하나의 칩 위에 집적한 전자부품을 CMOS FET 또는 CMOS라고 부릅니다. C는 Complementary '상보적인'이라는 뜻으로 n 채널형과 p 채널형이 서로 도움을 줌으로써 동작하는 것에서 유래했습니다. 각각 서로가 서로의 부하가 되도록 설계되어 있어 회로에 흐르는 전류를 제어할 수 있습니다. 결과적으로 저소비 전력으로 구동이 가능해집니다. 현재 CMOS는 마이크로 프로세서나 메모리, 카메라의 이미지 센서 등 많은 곳에서 이용되고 있습니다.​