대표적인 반도체소자인 Transistor는 Transfer Signal Through a Varistor 의 준말이다. 약자로 Tr이라고 주로 말하는데, 기본적으로 신호의 증폭작용과 스위칭 작용이 있어서 능동전자회로 분야 전반에 걸쳐 매우 광범위하게 응용되고 있는 비선형소자이다.

동작원리에 따라 EBC(Emiter - Base - Collector)구조의 BJT와 GSD(Gate - Source - Drain)구조의 FET 계열로 나뉘며, MOSFET, MESFET, HBPT, HEMT 등 다양한 종류의 Tr소자들이 RF에 응용되고 있다.

가장 중요한 비선형소자라서 각종 소자 모델링이 매우 발달되어 있으며, 크게 선형모델(S 파라미터)과 비선형 대신호 모델로서 회로설계에 응용된다.

[두산 백과사전 참조]

1. Transistor란?

1948년 미국 벨전화연구소의 W.H.브래튼, J.바딘 및 W.쇼클리는 반도체 격자구조의 시편(試片)에 가는 도체선을 접촉시켜 주면 전기신호의 증폭작용을 나타내는 것을 발견하여 이를 트랜지스터라고 명명하였다. 이것이 그 동안 신호증폭의 구실을 해 오던 진공관(眞空管)과 대치되는 트랜지스터의 시초가 된 것이다. 트랜지스터 그 자체가 소형이어서 이를 사용하는 기기(機器)는 진공관을 사용할 때에 비하여 소형이 되며, 가볍고 소비전력이 적어 편리하다. 초기에는 잡음·주파수 특성이 나쁘고, 증폭도도 충분하지 못하였으나, 그 후 많이 개량되어 아주 대전력을 다룰 수 있는 등 특수한 경우를 제외하고는 진공관에 대치되었다.

2. Tr의 동작원리

트랜지스터는 게르마늄이나 규소(실리콘)의 단결정 소편에 불순물을 첨가하되 불순물의 종류가 p형과 n형이 있기 때문에 pnp의 순서로 3층구조로 만들 때도 있는데, 각 층에서 단자(端子)를 내기 때문에 3단자의 소자이다. pnp의 경우, 왼쪽단자와 연결된 p층에서 양공(陽孔, hole:격자 질서상 있어야 할 곳에 전자가 없는 상태, 정공이라고도 함)을 중간층(베이스층)에 방출하는데, 이 방출기능으로 해서 왼쪽 부분의 이름이 이미터이며, 중간층 베이스를 통과하여 가장 오른쪽 p형 부분에서 양공들이 수집되기 때문에 가장 오른쪽 부분을 컬렉터라고 한다. npn형 트랜지스터의 경우는 이미터로부터 컬렉터로 가는 것이 양공이 아니고 전자가 되어 컬렉터에 양전위를 인가하여야 한다(pnp의 경우는 음전위). pnp형 반도체의 조합은 서로 마주보고 있는 다이오드의 조합과 등가(等價)이다. 이 조합에 그림과 같이 전지(電池)를 결선해 주면 이미터-베이스 간에는 순방향, 베이스-이미터 간에는 역방향의 전압이 걸리게 된다. 이미터-베이스 간은 순방향이기 때문에 전기의 주된 운반체(carrier)인 양공이 이미터에서 베이스에 흘러들어가게 된다. 만일 베이스의 두께가 충분히 얇아 전자와의 재결합이 안 되는 양공이 대부분이라면, 이미터에서의 전류는 컬렉터의 전류와 거의 같아지는데, 이때 컬렉터에는 수~수십 V가 걸려 있기 때문에 쉽게 끌려가게 된다. 베이스층에서 전자와 결합된(극히 일부) 양공이 베이스 전류로 흐르게 되는데 작은 베이스전류로 큰 컬렉터전류를 지배할 수가 있다. 베이스에서 재결합하는 양공에 해당하는 전류와 컬렉터에 제대로 도달하는 양공전류와의 비(比)를 그 트랜지스터의 전류증폭도라고 말하는데, 보통 제품에 있어서는 10~200이다. 컬렉터측에 적당한 부하저항을 결선하면 30~200의 전압증폭도를 얻을 수 있다. 트랜지스터는 증폭작용 외에도 변조·복조·발진 등도 행할 수 있으며, 클립·슬라이스 등의 파형정형(波型整形)이나 스위칭은 진공관보다 더 성능이 좋다.


3. Tr의 종류

트랜지스터는 동작시의 전류방향으로 보아 크게 나누면, 컬렉터에 음의 전압을 걸어 사용하는 pnp형과 양전압을 걸어 사용하는 npn형이 있으며, pnp형은 주로 게르마늄(Ge), npn형은 주로 실리콘제의 경우가 많다. 게르마늄이나 실리콘 등 진성반도체(眞性半導體)를 순도 99.99999999%(9가 10자리 계속되기 때문에 ten nine이라고 한다) 이상의 고순도로 정제하여 이를 모체로 하여 p형 또는 n형이 되는 불순물을 섞어가며 단결정으로 성장시켜 p형 또는 n형의 반도체를 만든다.

구조에 따라서 분류하면 다섯 가지로 나눌 수 있다.
합금접합형(合金接合型) :베이스 기판을 사이에 두고 양측에 이미터와 컬렉터를 형성하게 될 p형물질덩어리를 얹고, 온도를 녹는점 가까이 올려 p형물질이 녹아 들어가서 합금이 되면서 pnp의 반도체 접합을 형성하게 한 것이다. 게르마늄 트랜지스터 시대부터 사용되어 왔지만, 고주파대의 특성에 한계가 있기 때문에 음성주파수의 증폭 등에만 사용되고 있다.

메사형 트랜지스터 : 실리콘 또는 게르마늄의 기판(substrate)상에 확산기술을 비롯하여 진공증착 기술·사진인쇄 기술 등으로 이미터나 베이스를 구성시킨다. 단면의 형상이 단구형(段丘形)이 되기 때문에 메사(에스파냐어로 丘陵)형이라고 부른다. 합금형에 비해 고주파 특성도 좋고, 고전압에 견디며 제품의 균일성이 높다.

에피택시얼-플레이너 트랜지스터:이미터·베이스·컬렉터의 3개 부분이 모두 동일 평면상에 있기 때문에 플레이너라는 이름이 붙었다. 이 트랜지스터를 만들기 위해서는 정밀하게 온도제어를 한 특수가스 환경 내에서 매우 얇은(3~5μm) 상피를 확산기술로 만들면서 새로 상피부에서 성장하는 부분의 구조가 그 아래의 격자구조의 질서로 같은 모양으로 성장하기 때문에 에피택시얼[氣體同質成長]이라고 불린다. 잡음이 적으며 신뢰도도 높고 그 밖의 성능도 우수하다. 여러 개의 트랜지스터와 그들 사이의 결선을 한꺼번에 처리하면 집적회로가 된다.

수트랜지스터:이상의 트랜지스터들은 접합(接合)들을 가지고 있으므로 접합트랜지스터 또는 쌍극성트랜지스터(bipolar transistor)라고 하지만, 이들과 동작원리가 전혀 다른 전기장효과(電氣場效果) 트랜지스터(field effect transistor:FET)라고 하는 것이 있다. 이는 베이스에 양공이나 전자의 주입이 일어나는 것이 아니고 반도체 결정 내를 흐르는 양공이나 전자운반체의 통로를 결정 외부에 형성시킨 특수전극(게이트)에 인가시킨 입력신호 전압에 의하여 제어하게 하여 증폭작용을 가지게 한 트랜지스터이다. 또 이 밖에 트랜지스터와 흡사한 구조를 가진 2단의 pnpn다이오드나 유니정크션(unijunction)이라고 부르는 이중베이스다이오드 등은 음성저항(陰性抵抗)을 가지고 있으므로 스위칭 작용을 할 수 있는 반도체소자이다.

광트랜지스터(phototransistor):게르마늄이나 실리콘 결정에 빛이 조사되면 그것으로 인하여 양공이나 전자가 결정 내에 발생하므로 빛의 입사는 이미터와 같은 역할을 하게 된다. 따라서 광전다이오드(photo diode)는 pn 접합면 가까이 또는 점접촉형에서는 접촉점 가까이에 빛을 조사시키고 있다. 이들은 원리로 보아서는 pnp 트랜지스터나 점접촉형 트랜지스터에 상당하는 것이며, 단지 빛의 에너지를 전기에너지로 변환하는 것뿐만 아니고 변환된 에너지를 트랜지스터 작용에 의해서 증폭을 하게 된다. 또 npn(또는 pnp) 접합트랜지스터의, 또는 점접촉형 트랜지스터의 이미터 접합부분에 빛을 집중시키는 구조의 광트랜지스터는 고증폭률을 가진 pnpn(또는 npnp) 결선 트랜지스터에 상당한다. 이러한 형은 빛을 조명하였을 때, 이에 따라 발생하는 전류가 매우 커서 빛감도는 광전관(光電管)의 100배 이상 되는 것도 있다.

4. Tr의 특징

트랜지스터는 반도체 다이오드의 기능을 포함시키면 증폭·발진·스위칭·정류·검파 등의 기능을 가지기 때문에 진공관과 다음과 같이 비교된다. 장점으로는 pnp와 npn의 두 가지 종류가 있는 것, 저전압·소전력으로 동작시킬 수 있는 것, 형태가 매우 작은 것, 수명이 긴 것 등을 들 수 있다. 단점으로는 특성이 온도의 지배를 받기 쉬운 것, 고온에서는 동작하지 못하는 것, 초고주파 등에서 아직 전력이 약한 것 등을 들 수 있다.