BJT와 FET의 동작원리

FET의 종류를 알아보기전에 BJT의 차이를 알아보는 것이 좋다고 생각해서 이번 포스팅을 준비해보았습니다.

 

자~ 그럼 시작하겠습니다.

 

우선 FET과 BJT의 가장 큰 차이점은 극성에 있습니다. BJT는 Bipolar 즉, 쌍극성이구요 FET은 단극성입니다. 이 단극성과 쌍극성이라는 말은 전자와 정공 둘다 반송자로 쓰이면 쌍극성, 이 중 하나만을 이용한다면 단극성이 되겠습니다.

 

그리고 동작원리로 보게 되면 BJT는 전류로 전류를 제어하는 반면 FET은 전압으로 전류를 제어합니다. (BJT같은 경우는 이미 동작원리에서 언급을 했습니다.)

 

그리고 단자의 명칭입니다.

컬렉터=드레인(D), 이미터=소스(S), 베이스=게이트(G) 이렇게 매칭 되며 결국 FET의 게이트는 BJT의 베이스의 역할처럼 게이트에 인가되는 전압을 조절하여 드레인과 소스사이의 전류흐름을 제어합니다. 어떻게 보면 BJT와 흡사합니다. (이해가 잘 안가는 분들은 BJT 동작원리 편을 참조해주세요)

 

그리고 FET이 BJT보다 잘 이용되고 있는 이유가 바로 제조가 간편하다는 것입니다. 따라서 IC제조에 FET이 많이 쓰이게 됩니다. 제조에 필요한 공정 단계 및 사용 장비를 줄일 수 있으므로 단가가 싸지기 때문입니다. (이게 결정적입니다.)

 

소자의 구분으로는 BJT 에서는 NPN, PNP 형태가 있는 반면 FET 에서는 N 채널, P 채널이 있습니다. 전류의 전도 현상에 정공이 참여하는 것을 P 채널이라고 하며 자유전자가 참여 하는 것을 N 채널이라고 합니다.

 

FET에 대한 내용이 이해가 지금 어려울 수 있습니다. 하지만 지금 다 이해하실 필요가 없습니다. 이 후 포스팅에 동작원리와 이러한 내용을 설명할 것이니 우선 이렇다는 것만 알면 되겠습니다.

아래에 표를 통해서 간단히 정리해보았습니다. 표를 보면 이해가 더 쉬울 것입니다.

천 번을 흔들려야 어른이 된다

"천번을 흔들려야 어른이 된다"라는 책을 소개해볼까합니다.

김난도 교수님이 쓰신 책인데요, <아프니까 청춘이다>의 후속 작입니다.

<아프니까 청춘이다> 는 대학생을 주 독자층으로 하는 책이었다면 이번 책은 사회초년생인 이제 막 세상에 첫발을 내디딘 어른아이들을 위한 책입니다.

여기서 사회초년생들을 어른아이라고 표현한 부분이 재밌습니다. 사회에 첫발을 내딛는 순간부터 시련과 상처투성이인 삶을 살아가는, 크고 작은 흔들림으로 점점 진짜 어른이 되어가는 이 들을 어른아이라고 표현했습니다.

과연 지금의 우리는 어른일까? 나이가 든다고 해서 어른이 되고 원숙해지는 것일까? 우리는 언제 어른이 될까? 직장에 들어갈 때? 부모님으로부터 독립을 할 때? 결혼할 때? 법적인 나이인 20살이 되었을 때? 이 책은 진짜 어른이 되어가는 여러 사례들을 보여주고 함께 고민하고 있습니다. 사회생활을 하면서 힘들고 흔들릴 때 이 흔들림은 지극히 당연한 어른 되기의 여정 이라고 이 책은 말하고 있습니다.

 

저도 제가 어른이라고 물으면 어른이라고 대답하지 못할 것 같습니다. 하지만 분명한건 살아가면서 이 흔들림이 어른이 되어 과정이라는 것은 알 것 같습니다.

Amor Fati !

모바일 AP란?

모바일 AP를 소개해보겠습니다. 

우선 AP를 알아볼가요? AP는 Application Processor 으로 현재 스마트폰이나 디지털 TV등에 사용되는 메인 칩인 비메모리 반도체 입니다. 컴퓨터의 중앙처리장치인 CPU와 같은 역할을 하죠.
하지만 더 나아가서 SOC(System-On-Chip)으로 하나의 칩으로 많은 기능을 하나의 칩에 모아 놓은 칩입니다.

이 칩에 CPU나 메모리 같은 여러 칩들을 하나의 칩으로 모아 놓았다 이겁니다.

그렇다면 모바일 AP는 당연히 스마트폰에 들어가는 것이겠죠? 이 스마트폰의 OS와 어플리케이션들을 구동시키기 위해서 당연히 이 모바일 AP가 필요한 겁니다.

삼성은 이 모바일 AP에서 독자적으로 1위를 달리고 있습니다. 그래서 얼마전엔 애플에서 삼성의 독주를 막기위해서 대만의 TSMC를 통해 모바일 AP를 위탁생산할 것이라는 이야기도 나온 바 있습니다.
애플은 Fab-less인 관계로 삼성의 AP를 주문 받아서 쓰는데요. 설계 부터 공정 그리고 제품까지 이어지는 삼성의 유리한점을 견제하기 위해 Foundry회사인 TSMC를 통해 견제하려는 것입니다.
그만큼 애플에겐 삼성이 위력적이라는 얘기가 되겠습니다.
최근에는 퀄컴사까지 삼성에게 파운드리 방식으로 생산하는 것으로 알려졌습니다. TSMC사 조차도 삼성의 기술을 따라가지 못한거죠.

어쨋든, 모바일 AP를 직접 설계, 개발해서 만들고 있는 곳은 TI, 퀄컴, nVidia, 그리고 삼성 등이 있습니다. 모바일 AP부문에서 삼성은 인텔과 같은 파워를 내고 있는 점은 놀랄만한 일이고 앞으로 데스크탑보다 모바일 시장이 더욱 기대되는 만큼 발전가능성면에서는 더 높다고 생각합니다. 앞으로도 많은 기대를 해볼 수 있겠습니다.

BJT 동작모드

오늘은 BJT 동작모드 에 대해서 알아봅시다.

<그림 1>

※ 우선 시각하기 전에 용어를 정리하고 넘어가죠

VBE (베이스와 이미터의 전압), VBC(베이스와 콜렉터 전압)

IE - 에미터 전류

순방향 바이어스로 인해 발생한 전류로, Emitter에서 Base쪽으로 이동한 전자들과 Base에서 Emitter쪽으로 이동한 Hole들이 이루는 전류입니다. 단, Hole이 이루는 전류는 전자가 이루는 전류에 비해 작으므로 무시할 수 있습니다.

IB - 베이스 전류

Emitter에서 온 전자들이 Base의 Hole과 만나서 이루는 전류이며 Base부분이 얇을수록 매우 작아집니.(전선이 얇으면 저항이 강해져 전류가 약해지듯이 같은 원리입니다.)

IC - 콜렉터 전류

Emitter에서 온 전자들이 Base를 지나쳐, Collector - Base의 전자장에 끌려 Collector까지 넘어온 전류입니다. 앞서 동작원리에서 말했듯이 급격하게 넘어가므로 이 전류도 매우 큽니다.

<그림 2>

<그림 3>

자, 그럼 위의 그림들을 보면서 각영역에 대해서 알아봅시다.

- Cutoff

차단영역입니다 그림2를 보시면 되겠습니다. 차단영역이 되는 2가지 조건이 있습니다.

(그림 1을 참조하시면서 보시면 편하실겁니다)

1. 입력전압 VBE가 0 (적어도 베이스-이미터 P-N접합의 순 바이어스보다 작을 경우)일 때 이미터는 어떠한 전자들도 방출하지 않고 따라서 역 바이어스된 콜렉터-베이스 P-N접합에 어떠한 전자들도 모일 수 없습니다.

2. 출력전류 IC가 0일 때 BJT의 출력은 개방회로로 동작하며 즉, VBC 전압은 역 바이어스상태일 것입니다.

즉, 두 접합 중 어떤 것도 순 바이어스가 아니라면 BJT는 차단영역에 있을 것입니다. 모든 단자전류는 0(누설전류 무시)이고 출력은 개방회로(스위치의 off상태)입니다. 그림 3의 그래프에서 보시는 Cutoff 동작점은 이러한 경우를 나타낸 것입니다.

- Forward Active Mode

다음은 활성영역입니다.

이 영역은 VBE는 순 바이어스 상태로 베이스-이미터 접합에 인가한 상태이고 이미터는 전자들을 방출하여 양으로 바이어스된 콜렉터에 모여집니다. 콜렉터는 VBC<0일 때(역방향 바이어스) 베이스와 비교해서 양으로 바이어스 되어 있습니다. 즉, 만약 베이스-이미터 접합이 순 바이어스 상태이고 베이스-콜렉터 접합은 역 바이어스 상태일 때, BJT는 활성영역에 있고 전압제어 전류원으로 동작합니다. 동작점은 Amplification mode 영역이 이러한 경우를 나타낸 것입니다.

- Saturation Mode

포화영역입니다.

VBE에 순방향 전압을 걸어줍니다. 그러면 문턱전압에 걸리게 될것입니다. 입력전압을 점점 높혀주면 VCE도 역시 증가하게 됩니다. 이때 베이스에서 콜렉터로 넘어가는 전자들이 별다른 저항없이 순조롭게 넘어가게 되는데 이 영역을 포화여역이라고 합니다. 즉 VCE가 증가함에 따라 IC가 일정하게 유지되기 전까지 증가하게 되는 영역을 말합니다.

- Inverse Active Mode

베이스-콜렉터 접합이 순 바이어스인 반면 베이스-이미터 접합은 역 바이어스인 경우입니다. 즉 반대로 건것이죠. 콜렉터는 음극이 걸려 있으므로 전자들을 방출하며 양으로 바이어스된 이미터에 전자이 모일 것입니다. 즉, 역 바이어스된 베이스-이미터와 순 바이어스된 베이스-콜렉터 접합은 이미터와 콜렉터가 바뀐 활성영역에서의 BJT와 같습니다.

이러한 상태를 반전 활성영역이라 합니다. 만약 NPN 구조가 대칭적이라면 이와 같은 역 방향 동작은 활성영역과 동일할 것이지만 실제 BJT에서 콜렉터의 도핑농도는 가장 낮으므로 이 영역을 이미터로 사용할 때 효율이 좋지 않을 것입니다. 이러한 이유로 반전 활성 영역에서는 α와 β값은 작아져 좋은 이득을 얻지 못합니다.

제너 다이오드를 이용한 정전압 회로

제너 다이오드는 제너 항복의 특징을 이용하여, 저전류 DC 정전압 장치로 많이 사용합니다. 어떠한 회로(Load, 부하)가 연결될 때, 전류는 제너 다이오드와 부하로 흐르게 됩니다. 이 때 제너 다이오드로 흐르는 역방향 전류가 거의 일정한 제너 전압을 만들어냅니다. 그러나 앞서 말한 것처럼, 제너 다이오드가 제 기능을 하기 위해서는 제너 전류가 문턱전류 ~ 최대전류 범위 안에 있어야 합니다.

 

위 회로와 같이 부하 RL와 제너다이오드를 병렬 연결합니다. 그러면 제너다이오드가 역전압이 걸리게 되겠죠. 회로에서 병렬은 같은 전압을 가지므로 부하에서도 제너다이오드와 같은 전압을 가지게 됩니다. 따라서 일정한 전압을 가지는 정전압 회로를 만들 수 있는 것입니다.

각각의 기호들은

공급 전압(Vin)

공급 전류(Is)

부하 저항(RL)

부하 전류(IL)

제너전류(Iz)

부하에 출력되는 전압(Vout=Vz) 을 의미합니다.

제너 다이오드

제너 다이오드(Zener Diode)는 일반 다이오드와 다르게 낮은 역방향 전압에서도 역전류가 흐르도록 만든 소자입니다.

제너 다이오드에서 일어나는 낮은 역전압에 대한 항복을 '제너 항복(Zener Breakdown)'이라 합니다. 높은 역방향 전압에서는 일반 다이오드처럼 에벌랜치 항복이 일어납니다. 만약 순방향 바이어스 전압을 걸어주면, 일반 다이오드와 똑같이 0.7V를 까먹으며 작동합니다.

 

제너 다이오드에 역방향 바이어스 전압을 걸면 역방향 전류가 흐릅니다. 이 전류를 '제너 전류(Zener Current)'라고 하고, 이 때 걸리는 전압을 '제너 전압(Zener Voltage)'이라고 합니다. 제너 전압은 제품마다 다르며 4.7V, 5.2V 등 다양하게 만들어집니다. 물론 얘도 한계는 있어서 너무 전류를 세게 흘려버리면 고장납니다. 실제로는 제너 다이오드도 항상 제너 전압을 유지하는 것은 아니고 전류에 따라서 약간의 전압 차이가 나게 돼 있습니다. 아래는 제너 다이오드에서 알아둬야 할 몇 가지 수치들입니다.

 

- 제너 문턱 전류 / 전압  

제너 항복이 일어나기 시작하는 전류의 세기를 '제너 문턱 전류' 라 하고, 그 전류가 흐를 때 제너 다이오드에 걸리는 제너 전압을 '제너 문턱 전압' 이라 합니다. 이 값보다 작은 영역에서 작동시킬 경우, 제너 다이오드는 제대로 전압을 유지하지 못하고, 제너 다이오드로서의 의미가 사라집니다.

 

- 제너 시험 전류 / 전압 

어떤 제너 다이오드를 소개할 때 기준이 되는 대표값입니다. 예를 들어 5.2V 제너 다이오드라고 함은, 어떤 '제너 시험 전류' 를 흘렸을 때 걸리는 '제너 시험 전압' 이 5.2V인 다이오드를 말합니다.

보통 이 대표값을 중심으로 회로를 설계하게 됩니다.

 

- 제너 최대 전류 / 전압, 최대 소비 전력 

에벌랜치 항복이 일어나기 시작하는 전류의 세기를 '제너 최대 허용 전류' 라고 하고, 이 때 걸리는 제너 전압을 '제너 최대 허용 전압' 이라 합니다. 이 값을 넘어가는 영역에서 작동시킬 경우, 다이오드가 고장납니다. 또한 이 때 제너 다이오드가 소비하는 최대전력은 최대전류와 전압을 곱한 값입니다.

 

- 제너 저항 

제너 저항은 제너 전류가 변할 때 흔들리는 제너 전압의 비율로, 제너 다이오드가 얼마나 안정적인지 알려주는 파라미터 입니다. 제너 저항이 작으면 작을수록 전압은 적게 흔들립니다.

다이오드의 동작원리

다이오드(Diode)에 대해서 알아봅시다!

이해만하시면 다이오드도 별거 아닙니다.

다이오드는 일반적으로 전류의 방향을 한 쪽으로 흘려주는 소자입니다. 그러나 모든 다이오드가 그런 것은 아니며, 종류와 상황에 따라서 다릅니다. 

 

다이오드는 두 가지 다른 반도체, P형과 N형을 하나씩 붙여서 만듭니다. P형 반도체는 전자가 부족하여 + 극성을, 즉 P형의 다수캐리어는 정공입니다. N형 반도체는 전자가 남아 - 극성을, 즉 N형의 다수캐리어는 전자입니다. 일반적으로 (+)전하를 정공 (-)전하를 전자라고 부릅니다. 또한, P형 반도체가 붙어있는 곳을 애노드(Anode, A), N형 반도체가 붙어있는 곳을 캐소드(Cathode, K)라고 부릅니다.

P와 N 이 두 아이를 붙이는 것을 '접합(Junction)'이라고 합니다. 이 두 반도체를 접합하면 이 둘 사이에 '공핍층(Depletion Region)'이라고 불리는 특수한 장벽이 생깁니다.

이 장벽에 대해 알아보기 위해 그림을 살펴보겠습니다. PN접합면에서 P쪽에는 (+)가 남아돌고 N쪽에는 (-)가 남아돌게 됩니다. 따라서 확산에 의해서 P의 정공들은 공핍층의 N쪽으로 일부 넘어가고 N의 전자들은 P쪽으로 전자가 넘어가 중성상태를 이루게 됩니다.

이로인해 자연스럽게 장벽이 어느 정도 만들어지면, 그 다음부터는 뛰어넘을 힘이 없어서 전자가 더이상 만나지 못하게 됩니다. 이 상태가 평소 상태입니다.

 

이 다이오드에 순방향 바이어스를 걸어봅시다. P형반도체에 + 전압을 N형 반도체에 - 전압을 걸어주면, p영역의 다수캐리어인 정공은 접합면을 가로질러 n영역으로 주입되고 n영역에있는 다수캐리어인 전자는 p영역으로 주입됩니다. n영역으로 주입된 정공들 때문에 n영역에 있는 소수캐리어인 정공의 농도는 점점 증가될 것입니다. 마찬가지로 p 영역에 있는 소수캐리어인 전자도 농도가 높아질 것입니다. 이농도는 접합면에서 가장 높습니다. 전압쪽으로 다가갈수록 정공과 전자가 결합하기 때문이죠. 그래서 각각의 반도체에서 농도차가 발생하게 됩니다.

(P형을 예로든다면 접합면에서는 전자의 농도가 강하고 (+)전압이 걸린쪽에는 전자의 농도가 얕아진다는 뜻입니다.)

따라서 이 농도차에 의해서 이 캐리어(정공, 전자)들은 접합면으로부터 서서히 멀어지게 됩니다. 이렇게 장벽이 허물어 지면서 완전히 극복되는 전압이 생기고 이 전압을 문턱전압이라고 하며 문턱전압이상에서 전류가 흐르게 되는겁니다.

 

반대로 P형 반도체에 - 전압을 N형 반도체에 + 전압을 걸어주면, P형에 남아돌던 전자들이 - 전압 쪽으로 가버리고, 그 덕택에 장벽이 더욱 커져버려서 전류가 안흐르게 됩니다. 이처럼 P에 - N에 +를 걸어준 상태를 '역방향 바이어스(Reverse Bias)'라고 합니다. 그런데, 역방향 바이어스 전압이 많이 커지면, N형에 아주 약간 있는 전자들이 거대한 장벽을 뛰어넘고, 이 전자들이 P형에 있는 전자랑 추돌 사고를 일으키면서, 애들이 단체로 발광을 하고 전류가 다시 흐르게 됩니다. 이를 '에벌랜치 항복(Avalanche Break)'라 합니다. 물론... 이 상태로 계속 내버려두면 다이오드가 망가집니다.

  

 

위 그림이 다이오드 입니다.

(b)그림은 회로에서 다이오드를 표시하는것입니다.  (c)그림은 실제 다이오드를 사용할때 흰띄를 볼 수 있는데 이 부분이 (-)라고 생각하시면 됩니다.

자~ 다이오드 이제 이해되셨나요?