트랜지스터가 무엇입니까?

트랜지스터는 반도체를 이용하여 전기 신호를 증폭·제어·발생하는데 사용하는 소자이다.

1948년 벨 연구소의 브래튼(H.W.Brattain)과 바딘(J.Bardin), 쇼클리(W.Shockley)는 반도체도 진공관처럼 전기신호를 증폭할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 이들은 트랜지스터를 발명한 업적으로 1957년 노벨 물리학상을 수상했다. 이렇게 발명된 트랜지스터는 진공관보다 부피가 작고 속도가 빨랐으며 소비전력량이 적었다. 아울러 여러 개를 합쳐 패키지로 만들 수 있으며, 고체 물질로 만들어져 신뢰성이 높았다.

최초로 개발된 트랜지스터는 '점접촉형 트랜지스터'라고 불린다. 게르마늄 결정을 재료로 사용했는데 신뢰성과 안전성이 낮고 가격이 비쌌기 때문에 사용 범위가 한정되어 있었다. 그러나 그 후에 수많은 연구개발이 급속히 진전되어 게르마늄 반도체 결정이 실리콘 반도체 결정으로 재료가 바뀌자 초기의 문제점들이 거의 해결되었다. 따라서 트랜지스터의 연구가 더욱 활발해졌다.

1958년에 개발된 '유니박2(UNIVAC II)'로 트랜지스터 컴퓨터 시대가 본격적으로 열렸으며, 진공관을 이용한 컴퓨터보다 크기를 100분의 1로 줄일 수 있었다.

트랜지스터를 사용한 컴퓨터는 그 이전 것보다 속도가 빠를 뿐 아니라 작고, 비용도 덜 들었다. 그리하여 1958년 이전에는 상업용으로 컴퓨터를 사용할 수 없었던 많은 기업들이 컴퓨터를 구입하여 쓸 수 있게 되었다. 트랜지스터는 전자공학의 발전에 지대한 공헌을 했는데 소형, 소량의 열 발생, 높은 신뢰성, 상대적으로 소량의 전력 소모에 의해 컴퓨터에 필요한 복잡한 회로의 소형화가 가능하게 되었다. 1960년대 후반과 1970년대에는 개개의 트랜지스터 대신 여러 개의 트랜지스터 및 다이오드와 저항기 같은 소자가 작은 반도체의 칩 위에 내장되어 있는 집적회로(IC)를 사용하게 되었다.

트랜지스터는 3개의 반도체가 접합된 전자 부품이다.(접합 트랜지스터(junction transistor)는 트랜지스터의 종류 중 하나일 뿐이지만 트랜지스터의 원리를 이해하기가 쉽기 때문에 여기서 예로 들었다.) 대개 n형-p형-n형의 순서 혹은 p형-n형-p형의 순서로 접합된다. 전자를 ‘npn형 트랜지스터’, 후자를 ‘pnp형 트랜지스터’라고 부른다. 여기서는 npn형 트랜지스터를 생각하기로 하자.

npn형 트랜지스터에서는 p형이 가운데에 위치해 있다. p형은 자기 양쪽의 n형에 비해 폭이 무척 좁다. 트랜지스터의 세 전극은 각각 2개의 n형과 하나의 p형에 접속되어 있다. 이때 가운데의 p형에 접속된 전극을 베이스(B)라고 부른다. 나머지 n형에 결합된 전극 중 하나가 이미터(E), 나머지가 콜렉터(C)이다. 트랜지스터는 n형과 p형이 교차로 접합되어 있기 때문에 이중 n형과 p형만 따로 떼어 내어 생각하면 다이오드와 똑같다. 여기에 트랜지스터의 비밀이 숨어 있다.

① C-B 접합면이 역전압으로 되므로 전류가 흐르지 않는다.

② B-E 접합면이 순전압이므로 E에서 B로 전자가 들어가고, 그 대부분은 C까지 간다.

먼저 베이스(B)와 콜렉터(C)에 역방향의 전압(역전압)을 걸어 보자. 역전압이란 n형인 콜렉터(C)에 양극을 연결하고 p형인 베이스(B)에 음극을 연결해 전류가 흐르지 않게 하는 것이다. 이것은 다이오드에 역전압을 걸어 둔 것과도 같다. (이것이 위 그림 ① 상황이다.)

즉 콜렉터(C)의 전자들은 양극으로 몰리고 베이스(B)의 구멍들은 음극으로 몰려 트랜지스터 안에서는 전류가 흐르지 않는다. 이 상황에서 베이스(B)와 이미터(E)에 순방향으로 약간의 전압을 걸어 보자. 즉 베이스(B)에는 양극을 접속시키고 이미터(E)에는 음극을 접속시킨다. 베이스-이미터(BE)를 하나의 다이오드로 생각하면 순방향으로 전압이 걸려 있기 때문에 베이스(B)와 이미터(E) 사이에는 전류가 흐른다. (이것이 위 그림 ② 상황이다.)

전류가 흐른다는 말은 전하의 운반체가 도선을 따라 계속 움직인다는 말이다. 베이스-이미터(BE)에 순전압이 걸리면 음전하를 가진 n형의 전자는 p형에 접속된 양극으로 움직이고, 양전하를 가진 p형의 정공은 n형에 접속된 음극으로 움직인다. 이때 베이스(B)의 폭이 충분히 좁기 때문에 이미터(E)에서 베이스(B)로 움직이던 전자들은 손쉽게 베이스(B)를 지나 콜렉터(C)로 건너간다.

콜렉터(C)에는 이미 역전압이 걸려 있기 때문에 일단 전자가 콜렉터(C)로 건너오면 전압 차이 때문에 순식간에 콜렉터(C)에 접속된 양극으로 빨려든다. 즉 콜렉터(C)에도 전류가 흐르기 시작하는 것이다! 더군다나 베이스(B)에 적은 양의 전류가 흐르더라도 콜렉터(C)에는 꽤 많은 양의 전류가 흐를 수 있다. 베이스-이미터(BE)에 조금만 전류가 흘러도 이미터(E)의 많은 전자가 베이스(B)를 건너 콜렉터(C)로 지나갈 수 있기 때문이다. 이것이 바로 트랜지스터의 ‘증폭 작용’이다.

트랜지스터를 이용하면 베이스(B)에 흐르는 적은 양의 전류로 콜렉터(C)에 큰 전류를 흐르게 할 수 있다. 증폭을 통해 100배의 전류도 쉽게 유도된다. 트랜지스터를 잘 활용하면 베이스(B)에 흐르는 약한 전류로 콜렉터(C)에서 흐르는 큰 전류를 제어할 수 있다. 마침내 새로운 증폭기가 탄생한 것이다.