스위치는 어떻게 만들 수 있을까?

양극성 접합 트랜지스터로 가능하다

앞서 태양전지와 LED는 pn접합을 사용한다고 살펴본 바 있다. 그런데 pn 접합 만으로 모든 반도체 소자를 만들 수 있을까? 당연히 그렇지 않다. 우리가 일상 생활에서 널리 사용하는 스위치만 해도 pn 접합으로 만들 수 없지 않은가? 전류를 흘려주면 항상 흐르거나 흐르지 않으니까 말이다. 그래서 다른 반도체 소자가 필요하다.

양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor)라는 트랜지스터를 이용하면 스위치를 만들 수 있다. BJT는 PN 접합에 왼쪽에 N을 붙여 NPN을 만들거나, 오른쪽에 P를 붙여 PNP를 만들 수 있다. PN 접합 두 개를 합쳐서 만든 구조라고 볼 수도 있을 것이다. 각각의 반도체는 각각 에미터(Emitter), 베이스(Base), 컬렉터(Collector)라고 불린다. NPN에서는 에미터와 컬렉터가 N형이 되고, 베이스가 P형이 된다. PNP는 반대로 P형 에미터, N형 베이스, P형 컬렉터로 구성된다.

에미터는 말 그대로 전하 운반자인 전자나 정공을 방출하는 역할을 한다. 그래서 에미터(E)와 베이스(B) 사이에 순방향 전압, 즉 전류가 생기는 전압이 걸리면 전하 운반자가 에미터(E)에서 베이스(B)로 전하가 주입된다. NPN이라면 N형 에미터(E)와 P형 베이스(B) 사이에 전압이 걸려 전자가 에미터(E)에서 베이스(B)로 이동한다. 만약 베이스(B)와 컬렉터(C) 사이에도 순방향 전압이 걸리게 되면, 컬렉터(C)에서 베이스(B)로 전류가 생겨야 하므로, 베이스(B)의 전하들이 컬렉터로 옮겨갈 수가 없다. 그러나 만약 베이스(B)와 컬렉터(C) 사이에 역방향 전압이 걸리면, 에미터(E)에서 넘어온 전하가 컬렉터로 넘어갈 수 있게 되면서 큰 전류가 흐르게 된다. 따라서 에미터(E)와 컬렉터(C)를 따라서 흐르는 전류는 베이스(B)와 에미터(E) 사이의 전류 또는 전압에 의해서 결정되는 것으로 이해할 수 있으며, 일종의 스위치가 된다. 베이스(B)로 흘러들어가는 에미터(E)와 컬렉터(C) 사이에 흐르는 전류로 증폭되기 때문에 증폭의 역할도 수행한다. 이 때 베이스가 충분히 얇아야 주입된 전하들이 손쉽게 베이스를 지나쳐 컬렉터로 전달된다.