인문학적 반도체_3. 트랜지스터(3)_ TR의 작동원리

2장.반도체는 어떻게 움직이나?

트랜지스터의 작동원리

그럼 이런 트랜지스터는 어떻게 움직일까요?

먼저 JFET에 대해 알아보겠습니다. 

BJT (양극성 접합 트랜지스터)의 베이스(Base), 컬렉터(Collector), 에미터(Emitter)가 서로 붙어(접합, 接合) 있는 것과 같이 게이트(Gate), 드레인(Drain), 소스(Source)가 바로 이웃해서 접합 되어 있는 구조라 접합형 Junction FET이라는 이름이 붙었습니다. 

[ JFET구조 및 기호 ]

위 그림은 N-CH JFET구조와 회로기호, P-CH JFET구조와 회로기호를 나타내고 있습니다. 

여기서 회로기호의 화살표 방향은 전자의 이동방향을 의미합니다. JFET의 동작 원리는 PN접합 다이오드의 역방향 바이어스를 이용한 GATE의 on-off방식입니다.

[ N-CH JFET의 동작원리 ]

무슨 말인지 이해가 되시나요?

위  N타입 JFET은 N-CH에 P형 반도체 2개가 양옆으로 삽입 되어 있는 형태입니다. 

FET의 작동원리는 GATE부근에 (-)전압이 걸리면 공핍층의 형성으로 게이트가 닫히고 GATE부근에 전압을 걸지 않으면 공핍층이 사라져 게이트가 열려 전류가 흐르게 됩니다. 

JFET도 BJT와 같이 N형 반도체로 채널을 만들고 P형 반도체로 게이트를 만든 N채널 JFET과 그 반대로 P형 채널과 N형 게이트를 사용하는 P채널 JFET이 있습니다. 

N채널 JFET은 자유전자만에 의해서, P채널 JFET은 정공만에 의해서 채널에 전류가 흘러 단극성 트랜지스터라고 합니다.

 그럼 반도체의 기본소자라 일컬어지는 MOSFET은 어떻게 움직일까요?

MOSFET은 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor의 약자로 게이트(Gate) 구조를 눈여겨 보면 Metal-Oxide-Semiconductor 순으로 적층되어 있고 이런 게이트 구조를 그대로 명칭에 옮겨 적은 것입니다.

[ MOSFET 구조 및 기호 ]

MOSFET은 주로 소스(Source), 게이트(Gate), 드레인(Drain), 기판(Substrate) 이렇게 4단자 소자로 이루어져 있습니다.

MOSFET은 BJT와 마찬가지로 NMOS와 PMOS로 구분합니다.

NMOS의 경우 P형 기판에 N형 소스와 드레인을, PMOS의 경우 N형 기판에 P형 소스와 드레인을 형성하여 제작합니다. 

NMOS의 경우 전자는 소스를 출발하여 채널을 따라 드레인으로 향하며, 소스로 부터 드레인으로 흘러가는 전자의 흐름은 게이트에 의해 조절됩니다.

게이트에 threshold voltage라고 불리는 문턱전압이 기준전압보다 낮은 전압이 걸리면 채널이 형성되지 않아 소스/드레인 간에 전류가 흐르지 않습니다.

그런데 문턱전압보다 높은 전압이 걸리면 실리콘 기판의 게이트 쪽 표면에 충분한 양의 전자가 몰려들어 채널을 형성합니다.이때 드레인에 소스보다 높은 전압을 걸어주면 형성된 채널을 통해 전자가 이동하여 전류가 흐르게 되는 것입니다.따라서 MOSFET은 게이트에 +의 일정전압(문턱전압) 이상을 걸어주면 전류가 흐르고 문턱전압 이하에서는 반전층이 생기지 않아 전류가 흐르지 않습니다.

좀 더 쉽게 설명하면 물이 고여 있는 저수지 댐에서 수문을 열면 수로를 따라 물이 흐릅니다.

이처럼 수문 같은 Gate에 전자 또는 정공이 흐를 수 있게 문턱전압 이상을 걸어주면 수로와 같은 Channel이  형성되어 전류가 흐르게 됩니다.

[ MOSFET 동작 원리_출처: 하이닉스 뉴스룸 ]