트랜지스터

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Transistor

1 개요

전기 스위치와 증폭 작용을 하는 반도체 소자. 명실상부한 전자공학의 꽃

2 종류

2.1 접합형 트랜지스터 (BJT)

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n-p-n형 BJT(Bipolar Junction Transistor)

1947년 벨 연구소의 H.W.Brattain과 J.Bardeen, W.Schockely가 외계인을 고문해 게르마늄을 이용해 최초로 제작하였다. (이에 대한 공로로 세 사람은 1956년 노벨물리학상을 수상하였다.) 조립형 전자 키트 등을 사면 쉽게 볼 수 있다(새까만 삼발이 부품). 실리콘 웨이퍼에 수 차례 도핑을 거치면 완성되는 구조라, 옥사이드를 길러야 하는 MOSFET보다 제조하기 쉽다는 장점이 있다. 작동 원리는 다이오드와 동일한데, 전하를 공급하는 이미터(Emitter)가 더 붙어있는 것이다.

우선 p-n-p형 접합형 트랜지스터를 예로 들어보자. 그리고 이때 p-n-p의 각 역할을 emitter-base-collector라 하자. 이 경우 왼쪽의 p-n 접합에 정방향 전압[1]를 주면 전류가 흐르지만, 오른쪽 n-p 접합인 베이스-컬렉터(Base-Collector)에 역방향 전압도 걸려진다. 이때 emitter-base측에 충분한 전압을 걸면 (Emitter-Base 접합은 순바이어스) 이미터의 hole(양공)들이 베이스로 주입되고 베이스의 전자가 이미터로 (상대적으로 적은 양이) 주입되며, 베이스 내부에서는 Diffusing(확산) 현상으로 컬렉터 쪽으로 양공이 이동해 컬렉터에 양공이 수집된다. (이 때 이미터에서 베이스로 주입되는 양공의 양이 베이스에서 이미터로 주입되는 전자의 양보다 훨씬 더 많은 것이 바람직 하며, 고농도로 도핑된 이미터와 저농도로 도핑된 베이스를 사용하여야한다. 혹은 베이스를 물리적으로 얇고 적게 하거나.)

베이스 내부에서 Diffusing(확산)하는 양공들 중 극히 일부분이 베이스의 전자와 결합하는데 이는 컬렉터에 수집되는 양공들에 비해서 아주 작은 비율이다. 하지만 이로 인해, 과잉소수 캐리어(이 경우에는 양공) 농도 분포가 직선이 아닌 곡선형태가 된다. 결론적으로 양공이 Emitter에서 Collector 방향으로 이동되므로, 전류의 방향은 Emitter에서 Collector 방향이다. 앞서 설명한 내용은 베이스-이미터가 순바이어스, 베이스-컬렉터가 역바이어스된 경우이다.

만약 베이스-이미터접합이 역바이어스 된다면, 이미터에서 베이스로 전자가 충분히 주입되지 못하므로, 전류의 흐름이 차단된다.(Cut-off Mode)

만약 베이스-이미터접합과 베이스-컬렉터접합이 모두 순바이어스 된다면, 이미터에서 베이스로 양공이 수집되고 Diffusing 현상이 발생하는 동안, 컬렉터에서 베이스로도 양공이 수집된다. 이 때, 베이스에 전자농도가 높아지기 때문에 포화상태라고 한다.(Saturation Mode) 포화 상태에서는 전류의 흐름이 서로 상쇄되므로, 컬렉터-이미터 전압은 0.1~0.2V 정도로 유지된다.

공돌이들 용어 다 걷어내고 좀 많이 생략한 거지만 간단하게 예시를 들면, 저 에미터(Emitter, 방출하다)라고 하는게 수도관이고 콜렉터(Collector, 수집하다)라고 하는게 수도꼭지고 베이스(이건 번역하면 오히려 이해가 어려워짐. 게이트라고 할것이지.[2])가 수도꼭지 밸브라 보면 된다. 수도꼭지 밸브가 돌아가는 정도를 전압으로 바꿔서 이해하면 된다. 근데 저 밸브가 좀 물이 새는 밸브라서 에미터에서 콜렉터로 빠질 때 물이 조금, 아주 조금 줄어든다고 지금 위에서 세번째 문단에서 .설명하고 있는 것이다. 아니면 진공관에 대입해서 이미터가 캐소드, 콜렉터가 플레이트, 베이스가 그리드라고 이해해도....

그럼 스위치 작용은 설명이 되는데 증폭 작용은 뭐냐 하고 묻는다면, 사실 증폭하는 게 아니라 작은 힘으로 큰 힘을 제어하는 것이다. 이미터-콜렉터 사이를 흐르는 커다란 전류를 베이스라고 하는 작은 밸브로 조절하는 것이다. 트랜지스터를 통과했다고 1볼트가 2볼트가 되는 건 아니다. 오히려 전압은 줄어들어버린다. 다만 베이스 전압이 0~1볼트 사이를 움직일 때 이미터-컬렉터를 통과하는 전압은 0~12볼트 사이를 왔다갔다한다. 물론 베이스가 물이 좀 새는 밸브라서 정확히 똑같게 따라하지는 못하는데 그 차이를 줄인 게 고급 트랜지스터라고 이해하면 된다.

마지막으로 수도꼭지와 트랜지스터의 다른 점이 수도꼭지는 사람 힘으로 밸브를 돌리지만 트랜지스터는 전압으로 돌린다. 전압이라고 하는 건 전위차 즉 상대적인 개념인데 그래서 트랜지스터 회로는 이미터 단자를 공통 음극(NPN기준)으로 사용한다. 이미터의 전압을 0볼트로 간주하겠다는 의미(보통 이미터는 접지까지 공유하므로 실제로 0볼트일 때가 많다). 그래서 전압 차이가 아주 크게 나는 회로에서는 트랜지스터를 사용할 때 조심해야 한다. 이미터-콜렉터 사이에서 어떤 이유에서든 엄청난 전류가 흘러버리면 이미터쪽 전압이 확 변할 수 있는데 이미터-베이스간에도 회로가 연결돼있으므로 이미터-베이스 사이의 전위차가 그 회로가 견딜 수 있는 한도를 넘어 확 튀는 경우가 있다. 보통 이미터-베이스 사이에 있는 회로는 민감한 회로들이라 이런 식으로 확 튀는 전류가 들어가버리면 그냥 타버린다. 그래서 큰 전류를 제어하는 곳에서는 트랜지스터 말고 다른 소자들을 사용하는데 이 이상은 매우 공돌공돌하므로[3] 생략.

2.2 전계 효과 트랜지스터 (FET)

2.2.1 접합형 전계 효과 트랜지스터 (JFET)

1925년 릴리엔필드가 최초로 개발해 특허를 등록하였다. 최초의 트랜지스터. 당시에 개발된 FET는 화합물 반도체에 게이트 전극을 꽂아 전류가 흐르는 통로의 폭을 조절하는, 현대의 MESFET과 같은 동작을 하는 물건이었다. 릴리엔필드는 이 소자가 동작하는 것은 입증했지만, 동작 방법은 잘 설명하지 못했다(이걸 제대로 설명하려면 고체물리와 양자역학에 대한 이해가 필요하다). 이후 이 소자는 현대식의 JFET로 발전한다.

일반적으로 교과서에서 소개하는 JFET는 PNP나 NPN의 빅맥 햄버거 구조로 만들어진 소자를 소개한다. 이렇게 소자를 세로로 쌓아두고 중간의 소자 양 옆에 가로로 소스, 드레인 전극을 달아둔 것이다. 쉽게 말하면 위 BJT그림에서 세 단자를 왼쪽으로 한 칸씩 움직여보자.

반도체 PN접합의 특성상, 서로 다른 두 개의 반도체를 붙여 두면 상대쪽에 전하가 생기지 못 하는 Depletion Region이 생겨나는데, 이 동네는 터널링(에너지 준위 차이가 크고, 전도할 길이가 너무 좁으면 전자/정공이 지나가지 못 하는 지역이라도 그대로 '워프' 해버리는 현상)을 이용하지 않는 이상 지나갈 수 없다. 또한 이 지역의 깊이, 혹은 넓이는 PN양극의 전위차가(역방향일 경우) 높으면 높을 수록 커진다.

즉, 가운데 지역 양 옆에 전극을 두고, 위 아래에는 게이트 전극을 두어 전압을 변화시키면 이 Depletion Region을 크게, 작게 변화시키면 소스-드레인간의 통로를 자유자재로 여닫아 트랜지스터로 만들 수 있는 것이다.

대략적인 작동 원리는 이렇고, 이렇게 단순하게 만든 이유는 역시나 그 당시 공정 기술이 딸렸기 때문. 게다가 군용 무기같은 경우는 안정성이 높아야 하므로 세밀한 고급 공정 보다는 단순한 공정을 사용한 물건들이 필요하기에 이렇게 만들어졌다.

JFET는 특성상 소자의 크기만 크면 큰 전류도 다룰 수 있고, 진공관과 전류-전압 특성이 유사해 오디오 등의 고출력이 필요한 전자제품에 주로 사용된다(MOSFET은 게이트 절연층의 두께 문제로 크게 만들기가 매우 어렵다). 하지만 집적회로가 나오면서부터는 누설전류가 너무 커서(역바이어스를 걸어도 PN접합에는 전류가 흐르고, 실수로 정바이어스라도 걸리는 날에는 소자가 바로 망가진다) 사용을 하지 않는다.

2.2.2 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET)

이 문단은 모스펫 · MOSFET(으)로 검색해도 들어올 수 있습니다.

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n형 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)

집적회로가 나타날 수 있게 만든 트랜지스터이다. 소스와 드레인의 도핑에 따라 n형과 p형으로 나뉘고 n형과 p형이 나란히 있는 CMOS가 존재한다. 개발자는 벨 연구소에 근무하던 한국계 미국인 故 강대원 박사 등. 최초의 디자인은 그냥 실리콘 덩어리에다 옥사이드 깔아 놓고 메탈을 꾹 눌러 놓은 루티드스러운 형태였다. 발표된 순서는 BJT보다 먼저였으나, 실리콘과 옥사이드 사이의 인터페이스 스테이트를 제대로 줄이지 못 했기에 상용화는 지지부진이었다. 그러나 이후 실리콘 위에 옥사이드를 얻는 게 아니라, 실리콘 자체를 리액터에 넣어 산화시키는(수증기, H2O기반의 프리커서를 쓰면 wet, H2, O2 따로 넣으면 dry)공정이 개발된 이후 본격적으로 IC의 시대가 열린다. 여기에 가장 큰 공헌을 한 인물은 텍사스 인스트루먼츠의 잭 킬비.

작동 원리는 간단히, 실리콘 벌크에 무궁무진하게 돌아다니는 자유 전자를 게이트로 끌어와 채널을 형성한 뒤, 소스와 드레인 간에 전위차를 주어 이동시킨다는 개념이다. 도리어 BJT, FET보다 훨씬 단순명료하다. 이 때 게이트 밑에 실리콘과 유전체가 맞닿는 부분에 채널이 형성되는 것인데, 이 부분이 깨끗(?)해야 쉽게 채널이 형성되는 것이다. 채널이 전도가 가능할 만큼 형성되는 게이트 전압을 Threshold Voltage, 혹은 문턱 전압이라 부른다.

드레인에 축전기를 연결하면 DRAM이 된다.[4] 축전기에 전하가 존재하면 1, 전하가 없으면 0이다. 사실상 우리가 보고 있는 TFT LCD모니터도 이와 동일한 메커니즘으로 작동한다. 다만, 축전기 역할을 하는 게 리퀴드 크리스털이다.

그리고 게이트쪽에 유전막 층을 더 넣고, 전극을 하나 더 넣어, 이 유전막에 전자를 넣었다 뺐다 하면 생기는 문턱전압의 차이로 데이터를 쓰고 읽으면 플래시 메모리가 된다. 플래시 메모리에서는 유전막을 플로팅 게이트라고 하며 일반적인 이산화실리콘 대신 질화실리콘을 사용하는 경우가 많다. 플로팅 게이트에 전자를 넣으면 문턱전압이 높고 전자가 없으면 문턱전압이 낮다. SLC (Single Level Cell) 플래시 메모리의 경우, 예를 들어 문턱전압이 바뀌는 범위가 0.5 V 부터 1.5 V 라면 1 V 가량의 전압을 가해줬을 때 트랜지스터가 작동하면 1, 작동하지 않으면 0 이다. MLC (Multi Level Cell) 플래시 메모리는 문턱전압이 아주 낮으면 11 덜 낮으면 10 좀 높으면 01 아주 높으면 00 이런 식이다.

CPU나 GPU, DRAM, 플래시 메모리 공정의 nm 단위 숫자는 MOSFET의 크기[5]를 나타내는 것이며 숫자가 작을수록 좋다. 공정이 미세화되면 누설전류에 관한 문제가 심각해 지기 때문에 SOI[6] 기술 혹은 하프늄이나 지르코늄, 티타늄 산화물을 이용한 고유전율 유전막[7] 기술이 적용되어야 한다[8][9]. HKMG로는 감당이 안될정도로 공정이 미세화가 되자 소자를 물고기 지느러미 처럼 만든 FinFET이 나왔다. 3D라고 해서 FET를 쌓아올린것으로 생각할수 있으나 그냥 FET를 3D로 만든것에 불과하다. 하지만 물리학적 한계때문에 30nm미만 공정은 모두 이 방식으로 만들어지고 있다.

2.2.3 박막 트랜지스터 (TFT)

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LCD나 AMOLED 같은 평판 디스플레이의 픽셀 구동 소자로 쓰이는 트랜지스터이다. 녹는점이 낮은 유리 기판(대략 5-600도 정도다. 실리콘 웨이퍼 공정은 1000도(섭씨)이상 올라가는 경우도 매우 많다.) 위에 단결정 실리콘을 올리기는 거의 불가능 하기 때문에 많은 경우에 채널층에 비정질 실리콘이 사용된다. 따라서 채널층의 유효 이동도가 MOSFET 보다 낮기 때문에 MOSFET에 비하면 성능은 떨어진다.

한편, 해상도를 늘리고 화질을 개선시키기 위해 a-Si:H TFT의 field effect mobility를 늘리려는 시도가 여러 가지 시도되었으나 그 중 가장 각광받은 것은 Polysilicon TFT다. 이 Polysilicon은 사실 결정질(Crystalline)실리콘이 마치 기워입은 옷 처럼 배치되어 있는 것으로 기워버린 부분에 트랜지스터의 채널이 걸치지 않으면 이론상 결정질 실리콘을 이용해 만든 MOSFET과 거의 비슷한 성능을 내기에 전류 구동 능력을 획기적으로 끌어올릴 수 있어 고집적 화소+고화질 디스플레이를 구현하기에는 최적의 조건을 마련해 준다. 실제로 이걸 이용한 LCD 기반 프로젝터 등이 일본 회사들에서 출시되었다.

다만, 이놈을 제작하기 위해서는 기존 채널층의 비정질 실리콘을 엑시머 레이저 어닐링 같은 공정을 통해 결정화 시킨다(이렇게 결정화 시킨 그러나 레이저 애블레이션 과정은 매우 돈이 많이 들어가는 공정이라 단가가 비싸다.) 게다가 레이져로 표면을 긁어야하는 공정인지라 화면 크기가 크면 클 수록 단가는 더더욱 올라가게 되어 버렸고, 이는 대형 TV나 심지어 스마트폰 정도의 크기 디스플레이를 제작한다 할 지라도 가격 상승을 불러온다[10]. 게다가 OLED의 발견으로 대규모 화면을 더 저렴하게 구현할 수 있게 되었고, 이를 기존 LCD 화면 구동 방식[11][12]을 접합해 Active Matrix OLED 라고 부르기 시작한다. 문제는 이 OLED를 구동이나마 시킬 수 있는 성능을 가진 Polysilicon TFT의 경우, 대형 화면을 제작하기 위해 거하게 제작하면 단가가 뛰어버린다. 덕분에 이 제작단가를 줄이기 위해 여러 곳에서 시도를 해 보긴 했지만...[13]

어쨋든 이 백플레인(Backplain 이라는 요상한 용어인데, 디스플레이 발광 소자나 디텍터 감응 소자(?)를 제외한 부분을 보통 이렇게 지칭한다.) 제작 단가를 줄여보기 위해 태양 전지에 사용하던 마이크로 크리스탈린 실리콘이나 나노크리스탈린 실리콘을 이용한 TFT를 만들어 보려는 시도도 존재했으나 예상보다 성능이 좋지 않아 사장되는 상황이다...가 아니고 2014년 현재는 이미 똥망했다.[14]) 인듐 갈륨 아연 산화물로 대표되는 비정질 금속 산화물로 바꾸는 시도가 이루어지고 있다. 이 쪽 연구로 유명한 것은 역시 일본. 실제로 샤프가 최초로 시제품을 출시했으며, 메탈 옥사이드 물질 연구의 대가 또한 일본에 있다.

참고로, 비정질 실리콘 트랜지스터의 경우에는 P타입이 없다. 비정질 실리콘 자체의 물성 때문에 정공의 이동도가 안습 오브 캐안습이기 때문[15]. 더 웃기는 건 nMOSFET의 경우는 베이스가 P타입인데, 비정질 실리콘의 경우는 자체적으로 약한 nType 실리콘의 형질을 지닌다. 그럼에도 불구하고 nMOSFET으로 구동된다. 이놈을 p-Type 을 이용해 구현할 경우 Threshold Voltage가 너무나 높아지기에 어쩔 수 없는 선택. 즉, TFT는 Accumulation Mode에서 작동한다.

3 기타

아래와 같은 트랜지스터들도 있지만, 일반인이 보기는 매우 어렵다.

UJT : PN접합이 1개뿐인 트랜지스터. 다이오드와 같은 모양인데, 다이오드의 한쪽 전극을 두개로 쪼개 각각의 끝에 전극을 붙인 형상을 하고 있다. 이 트랜지스터는 음의 저항(아니 이게 뭔 개소리야 라고 할지도 모르겠지만, 이 소자의 V-I 곡선은 N자 모양으로 형성된다) 특성을 갖기 때문에 발진기로 쓰인다.

IGBT : 항목 참조. 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전극이 절연되어 있다.

MESFET : 쇼트키 효과를 이용한 트랜지스터. NIN(n형 도핑영역 사이에 진성반도체를 끼워넣은 형상)구조의 진성반도체 영역에 게이트 전극을 직접 붙인 형상을 하고 있다. GHz 급의 초고주파 영역에서 사용된다. 사실 릴리엔필드의 특허는 이 트랜지스터와 더 가깝다.

그 밖에 수십 ~ 수백 GHz급의 초고주파 영역에서 사용되는 HEMT(High Electron Mobility Transistor), HJT(Hetero-Junction Transistor) 등이 있다.

그리고 자세한 건 전자회로 및 초고주파공학 관련 전공책도 좋으나 일반인은 물리1을 보면 됩니다.

혹시 시중에 나온 회로이론 책을 뒤지다가 트랜지스터 항목이 안나와서 난감 했다면, 반도체소자 내지 전기/전자공학개론 앞장을 펼쳐 반도체가 나온 항목을 찾아봐도 좋다.[16]

트랜지스터라디오는 합성어로 취급되어 붙여쓴다.
  1. ↑ p쪽에 +전압, n쪽에 -전압
  2. ↑ 역할 상 베이스가 가장 핵심 부분이라 할 수 있기 때문이다. 베이스의 미세한 변화가 콜렉터에서 큰 차이를 만들어 낸다. 나비효과?? 바로 아래 문단의 스위치 작용 참고
  3. ↑ 릴레이, 포토커플러, IGBT등등등을 쓴다
  4. ↑ 집에서 BJT와 깡통 모양 축전기로도 만들 수 있다. 물론 컴퓨터에 꽂혀있는 DDR SDRAM과 넘사벽의 차이가 있다.
  5. ↑ 정확하게는 게이트의 길이(Gate length)를 말함.
  6. ↑ Silicon on Insulator. 일반적인 웨이퍼는 실리콘 단결정으로 이루어져 있지만 SOI 기술이 적용된 웨이퍼는 실리콘/이산화실리콘(Silicon Dioxide, 보통 전문가들은 Oxide라 부른다. 길게 부르기 귀찮아)/실리콘의 3층 구조로 body contact 쪽으로 흐르는 누설전류를 줄여준다. MOSFET의 전극은 주로 Ion Implantation으로 만드는지라 실리콘 웨이퍼의 두께에 비하면 4차원의 간격으로 얇다.
  7. ↑ High K (gate dielectric) Metal Gate. 줄여서 HKMG로 부른다. HKMG는 줄여 쓰는 용어이고 실제로는 gate dielectric을 빼면 말이 안 된다. K는 유전율인데, 메탈은 유전체가 아니므로 유전율 수식어를 붙일 수 없기 때문. 즉, K는 실리콘과 게이트 메탈 사이 들어간 유전체의 유전율을 의미한다. 자세한 사항은 축전기항목 참조.
  8. ↑ 한편, Low K dielectric은 트랜지스터 게이트가 아니라 IC회로를 구성하는 연결선 사이에 쓰인다. 점점 집적도가 높아짐에 따라 라인과 라인 사이의 Capacitance가 높아져, Crosstalk문제가 생겨, 신호 전달이 제대로 안 되는 문제가 생기기 때문이다.
  9. ↑ 참고로, 모든 반도체는 제조공정의 미세화가 진행될수록, 수명이 짧아지는 경향이 있다. 작동을 위해 전압을 인가하는데, 이 전압이 회로의 피로를 누적시켜 최종적으로 파괴되는 절연파괴가 진행되기 때문. SSD가 공정미세화되면서 수명이 짧아지는 원리와 동일하다. 다만, CPU 자체가 워낙 신뢰성을 요구하는 하드웨어라서 온갖 기술들을 집약시켰기 때문에 반도체중에서는 수명이 긴 편일 뿐이다. 현대 CPU는 정규전압/정규클럭에서 풀로드상태에서의 수명을 최소 10년 정도를 보장하고 있다.
  10. ↑ 한편, 당시에는 PDP TV가 이미 나와 있었으므로, 가격을 살인적으로 올리는 방향은 당연히 나가리였다.
  11. ↑ 참고로 LCD구동 방식에도 패시브가 불가능한 것도 아니고 많은 제품이 나와 있다. 그러나 2014년 현재 우리가 친숙한 방식은 Active Matrix 구동 방식이다. 한 프레임당 row 하나씩 읽어내는 그 방식.
  12. ↑ 패시브는 LCD의 특성상 여러 번 튀겨(?)주어야 하므로 구동 방식이 조금 다르다. 자세한 설명은 생략. 시간 있으면 추가할지도
  13. ↑ 전자공학도라면 들어봤을 용어인 LTPS(Low Temperature PolySilicon)가 바로 이런 시도 중 하나다.
  14. ↑ 여담으로 2007-8년 당시 삼성이 nc-Si:H TFT로 만든 디스플레이를 SID에 출품했지만 작동이 잘 안 되었던 전례가 있었다. 또한, 그 이전 학회에서 바로 다음 언급될 메탈 옥사이드 소자에 관한 논문을 전부 내려버렸다. 이쯤 되면 감 오지?
  15. ↑ 거기다 더해서 비정질 실리콘과 메탈간의 사이를 이어주는 컨택 레이어를 p+로 만들어줘야 하는데(전자공학도라면 그 밴드 다이어그램을 기억해보라, 오믹/샤키(Schottky) 컨택) 이거 공정 컨트롤하는 게 거진 타쿠미 다운힐 드리프트 난이도다.
  16. ↑ 몇 책에는 안나와 있는 듯 하다.