트랜지스터

트랜지스터는 반도체 소자에 전압·전류를 가해서, 더 큰 전류의 흐름을 정밀하게 제어하거나 신호를 증폭·스위칭하는 장치다. 오늘날 컴퓨터, 스마트폰, 통신망, 전력전자까지 사실상 모든 전자공학 시스템의 기본 단위라고 해도 과언이 아니다.wikipedia+1

1. 탄생 배경과 역사적 맥락

20세기 초 전자 회로의 핵심 부품은 진공관이었다. 진공관은 전자를 진공 상태에서 이동시키면서 증폭과 스위칭을 수행했지만, 크고 깨지기 쉬우며, 전력을 많이 소모하고 열이 많이 나며, 수명도 짧다는 치명적인 한계를 갖고 있었다. 1920년대에 이미 장거리 전화, 라디오, 초기 컴퓨터에서 진공관을 수만 개씩 사용하는 수준이었기 때문에, 더 작고, 튼튼하며, 전력 소모가 적은 대체 기술에 대한 수요가 폭발적으로 존재했다.wikipedia+1

이런 배경에서 1947년 미국 벨 연구소의 바딘(John Bardeen), 브래튼(Walter Brattain), 쇼클리(William Shockley)가 세계 최초의 실용적인 점접촉형 트랜지스터를 개발했다. 이 장치는 게르마늄 반도체에 두 개의 금 접점을 아주 가깝게 배치한 구조로, 작은 입력 신호로 더 큰 전류를 제어할 수 있음을 처음으로 보여주었다. 이후 쇼클리는 보다 안정적이고 제조가 쉬운 접합형 트랜지스터(BJT)를 제안했고, 1950년대에 실리콘 공정이 성숙하면서 트랜지스터는 곧바로 진공관을 대체하기 시작했다.lantekcorp+2

트랜지스터의 개념은 사실 1920년대 줄리우스 릴리엔펠트(Julius Edgar Lilienfeld)가 제안한 필드 효과 소자 아이디어까지 거슬러 올라가지만, 제조 기술 한계 때문에 당시에는 실용화되지 못했다. 이 ‘전계효과’ 아이디어는 훗날 MOSFET(금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터)의 탄생으로 이어지며, 오늘날의 집적회로와 마이크로프로세서의 기본 단위가 되었다.domoticx+3

2. 반도체와 PN 접합의 기본

트랜지스터를 이해하려면 먼저 반도체와 PN 접합 개념이 필요하다. 반도체는 도핑을 통해 두 종류로 나뉜다. 전자를 다량 보유한 n형과, 정공(양의 전하를 띠는 빈 자리)이 다량인 p형이다. n형과 p형을 접합하면, 경계에서 전자와 정공이 재결합하면서 이동 가능한 전하가 사라진 영역, 즉 공핍층(Depletion region)이 형성된다.techtarget+2

이 공핍층은 일종의 얇은 절연 장벽처럼 행동하는데, 여기에 외부 전압을 어떻게 인가하느냐에 따라 전류가 흐르거나, 차단되도록 만들 수 있다. 순방향 바이어스(예: p측에 플러스, n측에 마이너스)를 걸면 장벽이 낮아져 전자와 정공이 넘나들며 전류가 흐르고, 역방향 바이어스를 걸면 장벽이 높아져 전류가 거의 흐르지 않는다. 트랜지스터는 이런 PN 접합을 하나 더 붙이거나, 전계 효과를 이용해 공핍층 두께를 제어하는 구조로 설계된다.byjus+3

3. BJT(양극성 접합 트랜지스터)의 구조와 동작

3-1. 구조와 단자

BJT는 두 개의 PN 접합을 직렬로 배치해, 전체적으로 NPN 또는 PNP 구조를 가지는 3단자 소자다. 세 단자는 이미터(Emitter), 베이스(Base), 컬렉터(Collector)로 나뉜다.tutorialspoint+2

• 이미터: 높은 도핑 농도로 전하를 ‘발사’하는 역할을 한다.byjus+1
• 베이스: 매우 얇고 도핑이 약한 영역으로, 이미터에서 온 전하가 지나가는 제어 구간이다.byjus+1
• 컬렉터: 상대적으로 넓고 도핑이 중간 정도로, 이미터에서 온 전하를 ‘수집’하는 역할을 한다.byjus+1

3-2. 바이어스 조건과 세 가지 동작 영역

BJT의 핵심은 두 PN 접합(이미터–베이스, 컬렉터–베이스)에 어떤 바이어스를 거느냐에 따라, 증폭·스위칭 특성이 달라진다는 점이다.geeksforgeeks+1

• 능동 영역(Active): 이미터–베이스 접합은 순방향, 컬렉터–베이스 접합은 역방향 바이어스로 걸린 상태다. 이 영역에서 BJT는 증폭기로 동작한다.geeksforgeeks+1
• 포화 영역(Saturation): 두 접합이 모두 순방향에 가까운 상태로, 컬렉터–이미터 사이 전압이 거의 0에 수렴하며 스위치 ‘ON’처럼 동작한다.wikipedia+1
• 차단 영역(Cutoff): 두 접합이 거의 역방향으로, 컬렉터 전류가 사실상 0에 가까운 스위치 ‘OFF’ 상태다.byjus+1

증폭기는 능동 영역에서, 디지털 스위칭은 주로 차단·포화 영역의 두 상태를 오가는 방식으로 설계된다.[geeksforgeeks]​

3-3. 전류 제어 원리

NPN 트랜지스터를 예로 보자. 이미터–베이스 접합에 소량의 순방향 전류, 즉 베이스 전류 $I_B$IB가 흐르도록 만들면, 이미터에서 나온 다수 캐리어(전자)가 얇은 베이스를 거의 recombination 없이 통과해, 역바이어스된 컬렉터–베이스 접합을 건너 컬렉터로 빨려 들어간다.agsdevices+2

이때 컬렉터 전류 $I_C$IC는 베이스 전류의 $\beta$β배(전류 이득) 정도가 된다. 즉 $I_C\approx \beta I_B$IC≈βIB 관계가 성립한다. 베이스 전류는 매우 작지만, 이 작은 전류가 컬렉터–이미터 사이의 큰 전류를 제어하는 구조이므로, BJT는 전류 제어형 증폭기/스위치로 이해할 수 있다.agsdevices+1

능동 영역에서 입력은 베이스–이미터에 인가되는 전류·전압, 출력은 컬렉터–이미터 전류·전압으로 정의되며, 소신호 분석에서는 전류 이득뿐 아니라 저항, 소신호 모델 등을 통해 전압 이득과 전력 이득까지 계산한다.agsdevices+1

4. FET와 MOSFET: 전계효과 트랜지스터

4-1. FET의 기본 개념

전계효과 트랜지스터(FET)는 BJT와 달리, 전류 대신 전압으로 채널의 전류를 제어하는 소자다. FET에는 소스(Source), 드레인(Drain), 게이트(Gate) 세 단자가 있으며, 게이트에 전압을 가해 생성된 전기장이 채널의 공핍층 두께를 바꾸면서 소스–드레인 사이 전류를 제어한다.domoticx+2

게이트는 채널과 절연되어 있어(특히 MOSFET의 경우 산화막으로 절연) 이상적으로는 게이트 전류가 거의 흐르지 않는다. 이 때문에 FET, 특히 MOSFET는 고입력 임피던스, 낮은 구동 전력이라는 강점을 갖는다.jotrin+3

4-2. MOSFET 구조

MOSFET는 Metal–Oxide–Semiconductor 구조를 기반으로 하는 FET의 대표적인 형태다. 게이트는 금속, 그 아래에는 얇은 산화막(보통 SiO₂) 층이 있고, 그 밑에 반도체 기판이 채널을 형성하는 구조다.jotrin+2

n채널 MOSFET를 예로 들면, p형 기판에 두 개의 n형 영역(소스와 드레인)을 만들어 두고, 그 위를 산화막으로 절연한 뒤 게이트 금속을 올린 형태다. 게이트에 양의 전압을 걸면, 기판 표면에 전자를 끌어 모아 n형 반도체 채널이 형성되고, 소스와 드레인 사이에 전압을 가하면 이 채널을 통해 전류가 흐른다. 이 과정을 ‘인버전’이라고 부르기도 한다.domoticx+1

4-3. MOSFET의 동작 영역

MOSFET도 바이어스 조건에 따라 여러 동작 영역을 갖는다. 디지털 스위칭에서는 채널이 형성되지 않는 **차단 영역(OFF)**과 충분히 강한 채널이 형성된 선형/포화 영역(ON) 사이를 오가며 스위치로 동작한다. 아날로그 회로에서는 MOSFET의 포화 영역을 이용해 전류원, 증폭기 등으로 사용하며, 게이트–소스 전압과 드레인 전류의 비선형 관계를 소신호 근사로 풀어 이득과 출력 임피던스를 정의한다.scribd+3

MOSFET는 게이트가 절연되어 있어, 정지 상태에서는 게이트 전류가 거의 0이므로 이상적인 전압 제어 소자에 가깝다. 이 특성 덕분에 집적회로에서 수십억 개의 MOSFET를 집어넣어도 정적 소모 전력은 상대적으로 낮게 유지할 수 있고, 이는 현대 마이크로프로세서와 메모리 칩의 전력 효율을 떠받치는 핵심이다.techtarget+3

5. BJT vs MOSFET: 특성 비교

아래는 두 소자의 핵심 차이를 요약한 표다.blikai+3

구분	BJT	MOSFET
제어 방식	전류 제어(베이스 전류로 컬렉터 전류 제어)byjus+1	전압 제어(게이트 전압으로 채널 전류 제어)agsdevices+1
입력 임피던스	낮음 (베이스–이미터 접합이 다이오드)[tutorialspoint]​	매우 높음 (게이트 절연)tutorialspoint+1
캐리어	양극성(전자·정공 모두 관여)tutorialspoint+1	단극성(주로 한 종류의 캐리어)tutorialspoint+1
스위칭 속도	상대적으로 느림, 저장 전하 영향tutorialspoint+1	빠름, 고주파·고속 스위칭에 유리tutorialspoint+1
온저항	포화영역에서 V${}_{CE(sat)}$CE(sat)로 표현, 선형 저항 아님wikipedia+1	R${}_{DS(on)}$DS(on)으로 표현되는 저항성 특성domoticx+1
전력 소모	구동 전류 필요, 구동 손실 있음blikai+1	정적 구동 전력 매우 작음blikai+1
주요 용도	아날로그 증폭기, 저전력 스위칭, RF 일부learn.sparkfun+1	디지털 IC, 전력전자, 스위칭 전원, 고속 로직wikipedia+2

요약하면, BJT는 아날로그 증폭 특성이 우수하고, MOSFET는 고입력 임피던스와 스위칭 효율이 뛰어나 대규모 집적과 전력 스위칭에 최적화되어 있다. 현대 디지털 IC는 거의 전량 MOSFET 기반이고, BJT는 여전히 특정 아날로그·고주파 영역에서 의미 있는 역할을 하고 있다.learn.sparkfun+6

6. 증폭기와 스위치로서의 트랜지스터

트랜지스터는 크게 증폭기와 스위치 두 가지 대표적 모드로 쓰인다.learn.sparkfun+1

증폭기로 쓸 때는 BJT의 능동 영역, MOSFET의 포화 영역을 사용해 입력 신호의 작은 변화가 출력에서 큰 전압·전류 변화로 나타나도록 바이어스를 잡는다. 예를 들어 BJT 공통 이미터(CE) 증폭기에서는 베이스에 작게 인가된 교류 신호가 컬렉터 저항을 통해 수배에서 수십 배의 전압 이득을 갖는 출력으로 변환된다. MOSFET 공통 소스(CS) 증폭기에서도 유사하게 게이트–소스 전압 변화가 드레인 전류·전압 변화를 유도하며, gm(트랜스컨덕턴스)을 통해 이득이 정의된다.scribd+2

스위치로 쓸 때는 트랜지스터를 완전히 차단 또는 포화 상태로 구동한다. 디지털 로직 게이트(예: CMOS 인버터)는 p채널과 n채널 MOSFET 두 개를 서로 보완적으로 배치해, 입력이 0이면 하나의 트랜지스터만 켜지고 다른 하나는 꺼지는 구조로 동작한다. 이 구조는 출력이 0 또는 공급 전압 중 하나로 명확하게 포화되면서도, 정적 상태에서는 거의 전류가 흐르지 않아 전력 소모가 매우 적다.wikipedia+2

7. 집적회로와 현대 정보기술에서의 의미

트랜지스터의 진정한 혁명성은 단일 소자가 아니라, 이를 수백만·수십억 개 단위로 집적할 수 있는 제조 공정에서 드러난다. 1950년대 후반 집적회로(IC) 개념이 등장하고, 1960년대 이후 평면 공정과 포토리소그래피 기술이 발전하면서, 수많은 트랜지스터를 하나의 칩 위에 패턴으로 그려 넣는 것이 가능해졌다.techtarget+1

이후 무어의 법칙에 따라 단위 면적당 트랜지스터 수는 기하급수적으로 증가했고, 오늘날 최첨단 프로세서는 수백억 개 이상의 MOSFET를 하나의 칩에 통합한다. 이 집적 능력 덕분에, 트랜지스터는 단순한 전자 부품을 넘어, CPU의 논리 게이트, 메모리 셀, 아날로그–디지털 변환기, 전력관리 회로 등 거의 모든 기능 블록의 기본 빌딩 블록이 되었다.scribd+2

결국 트랜지스터는 “작은 전기 신호로 큰 전기 흐름을 제어한다”는 물리적 특성을 바탕으로, 증폭·스위칭·연산·저장 등 현대 정보기술의 거의 모든 연산 단위를 구현하는 핵심 소자라고 볼 수 있다.learn.sparkfun+2