본문
(1) 다이오드
1. 2개의 전극을 가진 장치
반도체의 역사는 (Diode)에서 시작하여 트랜지스터(Transistor), IC(Integrated Circuit; 집적회로), LSI(Large Scale Integration; 대규모 집적회로), VLSI(Very Large Scale Integration; 초대규모 집적회로) 로 급진적으로 발전하고 있다.
다이오드는 원래 2극관, 즉 전자를 방출하는 캐소드(cathode; 음극)와 그 전자를 빨아들이는 애노드(anode, 양극)=플레이트(plait) 두 개의 전극 가지는 진공관을 말하는데, 반도체의 다이오드도 이와마찬가지로 두 개의발인 전극을 가지는 장치이다.
P형 반도체의 발을 애노드(anode), N형 반도체의 발을 캐소드(cathode) 라고 한다.
<그림 1> 다이오드 그림 기호
2. 다이오드의 작용과 특성
P형과 N형 반도체를 접합한 것을 다이오드라고 한다. 이것은 다이오드가 한쪽으로만 전류를 흐르게 하는 성질을 이용한 것이다. 그러면 다이오드가 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 구조를 살펴보기로 하자.
<그림 2_a> 다이오드의 구조와 작동
<그림 2_a>는 PN접합으로 만들어진 다이오드이다. 다이오드 속을 보면 P형 쪽에는 +의 전기를 가지고 있는 홀(hole)이, N형 쪽에는 -의 전기를 가진(자유전자)를 볼 수 있다. 이 상태라면 P형의 +와 N형의 -가 서로 끌어당겨서 하나로 될 것 같지만, 중간에 접합면이라는 벽이 있어서 하나가 될 수 없다.
전지를 준비하여 다이오드에 전압을 걸어 전류가 어떻게 흐르는가 조사하여 보자.
<그림 2_b> 다이오드의 구조와 작동
<그림 2_b>는 P형 쪽에 +, N형 쪽에 -의 전압을 걸어본 경우이다. 먼저 P형 쪽부터 보면, 단자에 걸린 +전기와 +의 홀은 서로 반발하여 홀은 접합면 쪽으로 밀려난다. 한편 N형 쪽을 보면 단자에는 -전기가 걸려 있으며, 이것은 P형 쪽에 있는 +홀을 서로 끌어당긴다. 그 결과 P형 속에 있던 홀은 접합면을 넘어서 -로 끌리고 N형의 단자로부터 흐르기 시작한다.
이와 같이 (2_b) 처럼 전압을 걸면 다이오드 속의 홀이나 자유전자는 접합면을 넘어서 반대쪽의 단자로부터 흐르기 시작한다. 이것은 즉 다이오드에 전류가 흐른 것으로 된다. 따라서 이와 같이 전압을 거는 방법을 순방향전압이라고 한다.
<그림 2_c> 다이오드의 구조와 작동
그러면 <그림 2_c>와 같이 전압을 걸게 된다면 어떤 결과를 가져올까? 이는 P형 속의 홀도, N형 속의 자유전자도 자신의 단자에 끌려갈 뿐 접합면을 넘는 일이 없으므로 이것에는 전류가 흐를 수 없다. 그래서 이와 같은 전압을 거는 방법을 역 방향 전압이라 한다.
따라서 다이오드에서는 전압을 거는 방법에 따라 전류가 흐르든가 아니면 흐르지 않는, 즉 한쪽 방향으로 밖에 전류가 흐르지 못하게 하는 성질이 있다는 것을 알 수 있다.
3. 다이오드의 활용
반도체의 PN접합은 전자가 N형에서 P형으로, 전류는 P형에서 N형으로 한 방향으로만 통하고 역방향의 흐름은 정지한다는 일방 통행성이 있다. 이것을 이용하면 전등선과 같이 매초 수십 번 방향을 바꾸는 교류를 한 방향의 직류로 변환할 수 있다. 이것을 정류라고 한다.
PN접합 다이오드는 이 정류용 또는 일방통행성을 이용하여 ON-OFF의 스위칭 소자로 널리 사용되고 있다. 또한 다이오드를 사용하면 이 전파에 실린 소리를 빼내 들을 수 있는데 이것을 검파라고 한다.
(2) 트랜지스터
1. 트랜지스터의 발명
트랜지스터는 다른 전자부품과 달리 특별한 작용을 하는데, 증폭 기능이 바로 그것이다.
증폭 기능을 가진 진공관(3극관)은 1907년에 미국의 리 디 포리스트(Forest)에 의해 발명되었다. 진공관이 발명됨에 따라 라디오.텔레비전.컴퓨터도 진공관의 도움을 받았다.
그러나 진공관에는 히터라는 것이 있어 전기를 꽂으면 유리 용기 안에서 빨갛게 달구어지게 되는데, 이 히터는 전구의 필라멘트와 같아서 사용하면 할수록 점차 소모되어 시간이 지나면 결국 수명이 다하기 때문에 진공관시대는 지나가고 트랜지스터가 발명됨에 따라 실용화되기 시작하였다.
트랜지스터는 1948년에 미국에 있는 벨 전화연구소의 W. 쇼클리(William B. Shockley), J 버딘(John Bardeen), W. 브라텐(Walter H. Brattain) 세 사람의 물리학자에 의해 발명되었다. 트랜지스터(Transistor)는 작고 성능이 좋은 것이라는 대명사로 쓰여지고 있는데, 트랜스퍼와 레지스터 라는 두 개 낱말의 합성어이다.
2. 3개의 트랜지스터 발
다이오드는 접속면을 하나 가지고 있는데, P형 반도체 1개와 N형 반도체1개인 두 개로 되어 있다 그러므로 다이오드는 발이 두 개이다. 그런데 트랜지스터는 발이 세 개이다.
트랜지스터의 세 개의 발에는 각각 베이스(Base, 약해서 B라 쓴다), 이미터(Emitter, 약해서 E라 쓴다), 콜렉터(Collector, 약해서 C라 쓴다)와 같은 이름이 붙어 있다.
<그림 3> 트랜지스터의 모습
'이미터'는 방출한다는, '콜렉터'는 모은다는 뜻이다. 이미터가 던진 것을 콜렉터가 잡는다는 식이다.
그러면 '이미터'가 던지는 것은 무엇인가?
NPN형 트랜지스터는 이미터의 N형 반도체 속에 있는 자유전다(-)이고, PNP형 트랜지스터이면 이미터의 P형 반도체 속에 있는 홀(+)이 될 것이다.
콜렉터가 이미터에서 던진 자유전자나 홀을 잡기 위해서는 NPN형 트랜지스터에는 콜렉터에-전기를 가하면 되는 것이다.
콜렉터와 이미터 사이에 끼어 있는 베이스의 역할은 이 베이스의 폭이 매우 얇게 되어 있는데, 자유전자나 홀이 여기를 빠져 나갈 수 있도록 베이스가 배트가 되어 자유전자나 홀을 힘껏 때리는 것이다. 이미터에서 나온 자유전자나 홀이 콜렉터로 가는 사이에 베이스가 이것에 영향을 줌으로써 베이스에 가해진 작은 신호가 크게 증폭되어 콜렉터에 나타나게 되는 것이다.
3. 트랜지스터의 작용
트랜지스터에는 발이 세 개 있고 따라서 트랜지스터 속에는 세 개의반도체가 들어 있다. 이것에 따라 PNP형 트랜지스터와 NPN형 트랜지스터 2종류가 있다. 여기서는 NPN형의 트랜지스터에 대하여 설명하고자 한다.
<그림 4> 트랜지스터의 작용
1단계로 <그림 4>와 같이 콜렉터 (C)와 베이스 (B)사이에 전압을 걸어 보면 다이오드에서 설명한 바와 같이 역방향 전압을 건 것이 되므로 전류는 흐르지 않는다.
제2단계로 콜렉터와 베이스 사이에 역방향은 놓아두고 이번에는 베이스와 이미터 사이에 순방향전압을 걸어 본다. 이것은 순방향이므로 베이스에서 이미터로 향하여 베이스 전류 (IB)가 흐른다. 베이스 전류가 흐르면 역방향 전압을 걸고 있었기 때문에 전혀 흐르지 않던 콜렉터 전류 IC가 어떻게 흐르기 시작하였을까?
더구나 베이스 전류는 1mA밖에 흐르지 않았는데, 콜렉터 전류는 100mA가 흐르고 있는 것이다. 이것이 바로 트랜지스터의 증폭이다.
왜 이런 현상이 일어나느냐 하면, 베이스와 이미터 사이에 순방향전압을 걸어 전류를 흐르게 하고자 했을 때 이미터에 있는 - 자유전자는 본래 베이스로 흐르도록 되어 있으나 베이스가 얇기 때문에 콜렉터에 걸려 있는 +전압에 끌려서 베이스를 통과하면서 대부분 콜렉터로 가버렸기 때문이다.
또 베이스 전류 IB 와 콜렉터 전류 IC는 이미터로 흐르기 시작하여 이미터 전류 IE로 된다. <그림 4>를 보면 IB 가 1mA, IC가 100mA 이므로 IB 와 IC를 합한 것이며, IE는 101mA가 되는 것이다.
4. 트랜지스터의 기능
트랜지스터는 증폭 작용을 하는데, 예를 들면 마이크에서 들어온 작은 전기 신호를 많은 사람에게 들릴 수 있도록 스피커가 세게 울리도록 하는 것을 말한다. 또한 전기를 통하게 한다든가 아니면 통하지 않게 하는 스위칭(Switching) 작용을 한다. 컴퓨터 내부에서 '0'과 '1'의 디지털 신호를 열심히 변환하고 있는 것이 트랜지스터인 것이다.
5. 트랜지스터의 장점
트랜지스터의 구조는 아주 간단하다. 어떤 트랜지스터라도 발은 세 개밖에 없으므로 사용법도 간단하다. 발이 세 개밖에 없으므로 사용법도 간단하다. 발이 세 개밖에 없더라도 여러 가지 일을 시킬 수 있다.
진공관의 경우에는 수십 볼트, 수백 볼트의 전압을 걸지 않으면 작동하지 않는 데 반하여, 트랜지스터는 1.5V나 3V의 낮은 전압에서 작동하기 때문에 에너지를 절약할 수 있다. 또한 건전지나 진공관은 수명의 한계가 있다. 진공관은 사용하면 할수록 점차 성능이 떨어지므로 수명이 다하지 않아도 교환하여야 한다. 트랜지스터는 소모되는 것이 없고 수명은 거의 반영구적이다.
한편 진공관의 경우에는 전자가 일을 하는 공간이 필요하므로 작게 만들 수 없다. 라디오나 전자계산기가 포터블로 된 것은 트랜지스터의 부피가 매우 작기 때문에 가능한 것이다.
※ 출처 - http://www.bazi.pe.kr
