[위즈덤  TECH]반도체의 시작, 트랜지스터

[위즈덤 아고라 / 한동민 기자] 반도체를 생각했을 때 보통의 많은 사람들은 기본적으로 전류를 통하게 하는 전자 기기, 미래에 꼭 필요한 기술이라고만 생각을 하지 대체 반도체의 어떠한 부분이 반도체를 움직이고 또 반도체를 이렇게나 각광받게 하는지 모르고 있다. 물론 반도체는 여러 중요한 기술이 합쳐져 있는 유용한 전자 기기이지만 그중에서 가장 핵심적이고 우리 인간의 심장 역할을 하는 부분은 트랜지스터이다. 

많은 일반인들에게는 트랜지스터라는 개념이 매우 생소할 것이다. 먼저 트랜지스터는 전류의 흐름을 조절해 전기 신호를 증폭시키거나 중단시키는 반도체 소자라고 설명할 수 있다. 이 트랜지스터는 접합형 트랜지스터와 전계효과 트랜지스터, 총 2가지로 분류된다. 

먼저 접합형 트랜지스터는 n형과 p형 반도체를 npn 또는 pnp 조합으로 접합해 만들어진다. 또한 E(emitter – 전자를 방출하는 역할), C(collector – 전자를 다시 끌어모으는 역할), B(base – 전류를 제어하는 역할)로 구성되어 있다. Npn 트랜지스터는 pnp와는 다르게 B에 전류가 흐른다면 트랜지스터 제어가 가능하고 이에 반대로 pnp 트랜지스터는 전류가 흐르지 않을 때 트랜지스터 제어가 가능하다는 점에서 이 둘은 다른 유형의 트랜지스터이다.

그렇다면 npn 트랜지스터와 pnp 트랜지스터가 각각 언제 쓰이는 것인지 궁금증이 생길 수밖에 없다. 먼저 npn 은 기본적으로 가장 많이 쓰이는 트랜지스터이다. 이유는 npn의 구조가 전류를 가장 빠르게 옮길 수 있게 설계 되었기 때문이다. 특히나 전자기기는 속도가 중요하기 때문에 npn 트랜지스터가 가장 많이 사용될 수밖에 없다. 

Npn 트랜지스터에 대해 더 깊게 알아보자면, npn 트랜지스터는 약한 전류 신호를 증폭하여 큰 전류로 출력하는 역할을 수행하기 때문에, 이를 통해 오디오, 라디오, 텔레비전 등에서 음향 신호 또는 영상 신호를 증폭하는데 이용되기도 한다. 또 npn 트랜지스터는 전류 또는 전압 신호를 스위칭하는 데 사용되기도 한다. 디지털 및 아날로그 회로에서 논리 게이트, 타이밍 회로, 신호 전송 회로 등의 스위칭 기능, 즉 위와 같은 회로들의 전류를 차단하거나 전류를 활성화시키는 데에도 유용한 트랜지스터이다. 그에 반대로 pnp 트랜지스터는 npn과 동시에 사용될 경우가 많은데 이유는 전류에게 다른 통로를 제공해 주는 것이기 때문에 어떠한 경우에는 아주 유용하게 사용될 수도 있다. 예를 들어 전원 관리 (안정적인 전압 유지) 같은 부분이나, 센서를 감지할 때 광센서, 온도 센서, 압력 센서 등의 감지기로 사용되기도 한다.

트랜지스터들의 동작 원리는 다음과 같은 세 가지 구조로 인해 작동된다: 베이스(Base), 에미터(Emitter), 컬렉터(Collector). 작동 원리 또한 npn과 pnp 트랜지스터에 따라 조금씩 달라지게 된다. 전류가 흐르는 전선을 물이 흐르는 파이프라고 생각해고 파이프를 열고 닫을 수 있는 문이 있다고 생각해 보면, npn 트랜지스터는 양수 전압을 주면 작은 문이 열리고 전기가 흐를 수 있게 된다고 상상이 가능하다. 이때 전류는 커지며, 작은 전류로 제어된 전류를 크게 증폭시킬 수 있다. 반면에 pnp 트랜지스터는 음수 전압을 주면 작은 문이 열리고 전기가 흐를 수 있게 된다. 마찬가지로 전류가 커지며, 작은 전류로 제어된 전류를 크게 증폭시킬 수 있게 된다.

[위즈덤  TECH] 4차 산업혁명으로 인공지능 기술이 도입되면서 빠르게 발전하는 공학분야의 핵심은 바로 반도체입니다. 반도체의 과거, 현재부터 미래 그리고 다양한 응용 분야를 학생들이 쉽게 이해할 수 있도록 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 한동민 기자의 ‘위즈덤 TECH’로 반도체의 세계를 만나보세요.