진성반도체와 불순물이 만나면? 트랜지스터(Transistor)의 원리

지난 시간, 20세기 전자공학의 혁명을 이끈 핵심 부품, 트랜지스터의 탄생기에 대해 소개해 드렸는데요, 오늘은 트랜지스터의 원리에 대해 함께 알아보겠습니다.

■ 진성 반도체와 불순물이 만나 전류가 흐르다!

트랜지스터의 원리를 이해하기 위해서는 반도체의 기초 지식에 대한 이해가 필요한데요, 트랜지스터를 한 문장으로 정의하면 ‘전류의 흐름을 제어해 전기 신호를 증폭하거나 스위치의 역할을 하는 반도체 소자’입니다.

반도체는 전기전도도가 도체와 부도체의 중간정도 되는 물질입니다. 순수한 상태의 반도체는 부도체처럼 전류가 거의 통하지 않지만, 특정 불순물을 첨가하면 전기전도도가 늘어나 도체처럼 전류가 흐르는 능력을 갖게 됩니다.

여기서 순수한 상태의 반도체란 무엇을 의미하는 것일까요? 흔히 트랜지스터의 기본 재료가 되는 실리콘(Si)이나 저마늄(Ge) 결정처럼 4개의 최외각 전자를 가진 원소를 예로 들 수 있습니다.

보통 원소는 안정된 상태로 변화하려는 성질이 있기 때문에, 가장 바깥에 있는 최외각 전자들은 8개를 채우려는 성질을 가지고 있습니다. 때문에 실리콘(Si) 원자는 서로 이웃하는 전자끼리 공유결합해 8개의 최외각 전자를 가진 안정된 상태를 유지합니다. 이런 순수한 실리콘에서는 원자핵에 결합되어 있는 전자가 움직일 수 없기 때문에, 실리콘 외부에서 전압을 걸어도 전류는 흐르지 않게 되는데요. 이를 ‘진성 반도체(Intrinsic semiconductor)’라고 합니다. 자유롭게 움직일 수 있는 자유전자가 없기 때문에 진성 반도체에서는 전류가 흐르지 않는 것이죠.

이러한 진성 반도체에 특정 불순물을 주입하면 어떻게 될까요? 4가 원소인 실리콘 단결정(순수 반도체)에 최외각 전자가 3개인 3가 원소 붕소(B)를 첨가하면, 실리콘 원자와 모두 공유 결합 후 전가가 비어있는 상태, 즉 ‘정공’이 생깁니다. 이 상태에서 실리콘 결정에 전압을 걸어주면 정공이 이동하면서 전류가 흐르는데, 이를 p형 반도체라고 합니다.

반대로 실리콘(Si)에 최외각 전자가 5개인 5가 원소 비소(As)를 불순물로 첨가하면, 실리콘 원자와 공유결합 후, 전자가 남는 상태 즉 ‘잉여전자’가 생기는데요, 이 상태에서 실리콘 결정에 전압을 걸어주면 제자리를 못 찾은 잉여전자는 자유전가가 되어 전류가 흐르게 되는데, 이를 n형 반도체라고 합니다.

이렇게 진성 반도체에 전기전도도를 증가시켜 전류를 흐르게 하기 위해서는 특정 불순물을 첨가해 전자나 정공의 수를 증가시키는 방법이 사용됩니다. 이 때, 불순물이 첨가되어 전기적 성질을 갖게 된 반도체를 ‘불순물 반도체’ 또는 ‘외인성 반도체(extrinsic semiconductor)’라고 합니다.

■ 반도체를 세 겹으로 접합하면, 트랜지스터가?

트랜지스터는 종류에 따라 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistors, BJTs)와 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistors, FETs) 등으로 구분되는데요, 원리 이해를 위해 접합형 트랜지스터에 대해 알아보겠습니다.

보통 접합형 트랜지스터는 n형 반도체와 p형 반도체를 세 겹으로 접합해 만들어 지는데요, 접합 형태에 따라 npn형 트랜지스터, pnp형 트랜지스터로 구분되며, 이미터(emitter, E), 콜렉터(collector, C), 베이스(base, B)로 구성되어 있습니다. 말 그대로 n형 반도체 사이에 p형 반도체를 넣은 구조를 npn형 트랜지스터, p형 반도체 사이에 n형 반도체를 넣은 구조를 pnp형 트랜지스터라고 부르는데요,

npn형 트랜지스터를 기준으로 보자면, p형에 접속된 전극은 베이스(B), 나머지 양쪽 n형에 결합된 전극은 각각 이미터(E)와 콜렉터(C)로 아래와 같은 역할을 합니다.

• 이미터(E) : 캐리어(전자, 정공)를 방출하는 역할.
• 콜렉터(C) : 캐리어(전자, 정공)를 다시 끌어 모으는 역할.
• 베이스(B) : 방류 전류를 제어하는 역할, 이미터나 콜렉터 층에 비해 얇음.

트랜지스터가 동작하기 위해서는 적당한 전압이 인가되어야 합니다. 먼저 p형인 베이스(B)에 음극을, n형인 콜렉터(C)에 양극을 연결해 ‘역방향 전압’을 겁니다. 이렇게 되면, 콜렉터(C)의 전자들은 양극으로 몰리고 베이스의 정공들은 음극으로 몰려 트랜지스터 안에는 전류가 흐르지 않는데요.

이 때, 베이스(B)에 양극을 연결하고 이미터(E)에는 음극을 연결해 ‘순방향 전압’을 겁니다. 그러면 (-)전하를 가진 n형의 전자는 p형에 접속된 양극으로 움직이고, (+)전하를 가진 p형의 정공은 n형에 접속된 음극으로 움직이며 전류가 흐르게 됩니다.

이 과정에서 베이스(B)의 폭이 매우 좁기 때문에, 이미터(E)에서 베이스(B)로 움직이던 전자들이 베이스(B)를 지나 콜렉터(C)로 이동하게 되는데요, 콜렉터(C)에는 역전압이 걸려 있기 때문에 전자가 넘어오면, 콜렉터(C)에 접속된 양극으로 모이게 됩니다. 즉, 이런 원리로 베이스(B)에 적은 양의 전류가 흐르더라도 콜렉터(C)에는 많은 양의 전류가 흐르는 ‘증폭 작용’이 일어나는 것이죠. 이러한 원리가 바로 트랜지스터의 ‘증폭 작용’입니다.

진공관에서 시작된 전자공학의 혁명은 트랜지스터와 집적회로(IC)의 발명으로 이어지며 우리 생활에 큰 변화를 가져왔습니다. 컴퓨터, TV, 휴대폰 등 각종 전자 기기가 발달했고, 오늘날 우리 일상 중심에 스마트폰이 자리 잡으면서 더욱 편리해지고, 즐거워졌는데요, 그렇다면 미래에는 어떤 놀라운 반도체 기술이 우리를 기다리고 있을까요? 상상만 해도 놀라운 반도체 기술이 가져올 미래의 모습! 기대하셔도 좋을 것 같습니다.

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☞ 반도체 공정 3탄. 전자산업의 혁명, 집적회로(IC, Integrated Circuit)