[첨단 헬로티]

FET의 구조와 동작 

FET는 전계 효과 트랜지스터라고 부르며, 전계에 의해 전류를 제어한다. [그림 1]은 n채널 (FET)의 구조다. 드레인(Drain: D), 소스(Source: S), 게이트(Gate: G)의 3개 전극을 가지고 있으며, 드레인-소스간에 전압을 가하면 전류가 흐른다. 여기서 게이트-소스간에 역방향 전압을 가하면, 공핍층이 퍼져 전류의 통로(채널이라고 부른다)가 좁아지기 때문에 전류가 제한된다[그림 2(a), (b), (c)]. 

 

▲ 그림 1. 전계 효과 트랜지스터(FET)의 구조

이 경우 전류를 드레인 전류라고 하는데, 게이트 전압의 변화해 비례해 공핍층의 두께가 변화하고 드레인 전류를 변화시키게 된다. 

• FET의 종류

통로가 n형 반도체인 경우는 n채널, p형 반도체인 경우에는 p채널이라고 하지만, [그림 1]은 게이트에 pn접합을 사용하고 있으므로 접합형 FET라고 부른다. 이것과는 다르게 채널과 게이트 사이를 대단히 얇은 산화 절연막(SiQ2)으로 절연하고, 여기에 금속을 증착해 게이트를 형성한 것을 MOS-FET라고 한다. MOS란 Metal Oxide Semiconductor의 약자이고 금속 산화물 반도체를 말한다. [

그림 3]은 공핍형(Depletion mode) MOS-FET의 구조를 나타낸 것이다. 증가형(Enhancement mode)과 공핍형은 구조적 본질에서는 차이가 없으며 다만 제조법이 다를 뿐이다. [그림 4]는 기호의 예다.

▲ 그림 2. FET의 동작 원리

▲ 그림 3. 공핍형 MOS FET의 구조

▲ 그림 4. FET의 기호

• 바이폴러 트랜지스터와 유니폴러 트랜지스터

일반적으로 트랜지스터에서는 전류가 전자와 정공에 의해 운반되므로 “2개의 극성을 가진 트랜지스터”라는 의미에서 바이포러(Bi-polar) 트랜지스터라 한다. 이것과 다르게 FET에서는 n채널형은 전자가, p채널형은 정공이 전류를 운반하는 역할을 가지므로 “1극”이라는 의미로 유니폴러(Unipolar) 트랜지스터라 한다. 바이(Bi)는 둘, 유니(Uni)는 하나를 나타낸다. 

▲ 그림 5. 소스 접지 출력 정특성(2SK190)

태양전지 

태양전지(Solar Battery)는 [그림 6]와 같은 구조로된 pn 접합부에 어떤 파장의 빛이 들어가면 그 빛 에너지에 의해 전자와 정공이 발생된다. 접합부 내부의 전계에 의해 이들 전자는 n영역으로, 정공은 p영역으로 이동한다. 이 결과 p영역은 양(+)으로, n영역은 음(-)으로 대전된 것과 같게된다. 따라서 p, n 각 전극 단자로부터 외부에 전력을 공급할 수 있다. 

▲ 그림 6. 실리콘 태양 전지 소자의 구조

일반적인 종래의 실리콘 태양 전지는 n형 실리콘 단결정판을 베이스로 하고 있다. 이 단결정은 원래 둥근 막대형으로 제조되어지므로 이것을 원판 형상으로 얇게 잘라낸다. 따라서 실리콘 광전 소자의 원형은 모두 원판 형태다. 이것을 제조 공정 과정에서 목적에 알맞은 형상으로 절단해 웨이퍼를 만든다. 이 실리콘 웨이퍼를 화학처리를 거쳐 고온에 놓고 이 단결정판 표면에 산화붕소(B2O3)를 열확산시켜 p형 박층을 형성시킨다. 

CdS

카드뮴(Cd)과 유황과의 화합물로 유화 카드뭄이라 한다. CdS는 빛의 세기에 따라서 저항이 변화하는 성질이 있으므로 광신호를 전기 신호로 변환하는 소자로 사용된다. 따라서 노출기(Magnetic) 센서라고 할 수 있다. 전류 방향과 직각으로 자계를 가하면 전압이 발생된다[그림 7].

▲ 그림 7. CdS의 구조와 조도-저항 특성의 예

서미스터

서미스터는 온도 변화에 대해 저항이 현저하게 변하는 것을 말한다. 온도가 높아지면 저항이 작아지는 부성 특성을 갖고 있다(포지스터는 온도가 높아지면 저항이 커진다). 이 특성을 이용해 온도계, 고주파 전력 측정 등에 이용되고 있다[그림 8]. 

▲ 그림 8. 서비스터의 구조와 특성 예

사이리스터

SCR은 실리콘 제어 정류 소자(Silicon Controlled Rectifier)를 말하는 약자다. 현재는 주로 사이리스터(Thyristor)라고 부른다. 트랜지스터처럼 3개의 다리(전극 리드선)를 가지고 있으며, 다이오드의 애노드(양극), 캐소드(음극) 단자에 해당하는 2개의 단자와 게이트 단자를 가진다[그림 9]. 

▲ 그림 9. 사이리스터와 그림 기호

사이리스터는 이 게이트 단자에 약간의 미소한 전류를 흘려주면 애노드-캐노드간이 도통 상태로 된다. [그림 10]을 예로 그 동작을 설명하겠다. 지금 K1를 닫으면 이대로는 램프가 점등되지 않으며, 이 점이 다이오드와 조금 다르다. K1을 닫은 상태로 K2를 닫으면 애노드-캐소드간이 통전돼 램프가 점등된다[그림 11]. 

이 상태에서 K2를 열면 램프가 소등되지 않으며, 점등 상태가 계속 유지된다. 소등을 하지 위해 램프에 흐르던 전류를 끊으려면 K1을 열어 램프에 가했던 전압을 0으로 하지 않으면 안된다. 일단 사이리스터가 도통이 되면 게이트를 열어도 그대로 통전이 계속 되지만, 이것은 전원이 직규이기 때문이고, 만일 교류 전원이라면 반주기마다 전압이 0이 되거나 또는 역방향 전압이 가해지으로써 통전이 정지된다. 

▲ 그림 10. 사이리스터회로의 예

▲ 그림 11. 사이리스터의 동작 설명

사이리스터에 의한 위상 제어

 

백열 전구의 밝기를 가변 저항으로 조절할 수 있는 조광 스탠드가 있다. 이것은 사이리스터에 의한 조광 장치다. 원리느 사이리스터의 게이트에 펄스(Pulse) 전류를 가해주지 않으면 도통하지 않으므로, 펄스 전류를 가해주는 타이밍을 조절해 통전 시간을 제어할 수 있게 한 것이다. 

백열 전구에는 사인파 교류가 가해지지만 1주기의 어느 시점부터흐르는가는 게이트에 가해지는 펄스 전류가 주도하는 것이다. 또한 사이리스터의 성질을 쌍방향성을 구비한 소자를 트라이액(TRIAC)이라 부른다. 

▲ 그림 12. 그림 사이리스터에 의한 조광 장치

▲ 그림 13. 사이리스터에 의한 위성 제어

조광 장치를 동작시키는 벡터

그림의 가변 저항 VR을 가변시키면 db간에 나타나는 전압(이것이 게이트-캐소드에 가해진다)은 그 위상이 변화돼 사이리스터의 도통 시기를 조절할 수 있다. 이와같은위상 천이(Phase Shift) 회로는 저항을 변화시킴으로써 전류의 위상을 천이할 수 있다.(변압기의 2차 전압 Vac와 콘덴서, 저항의 양단 전압 VC, VR들이 벡터관계에서 직각 3가경을 형성한다). 

▲ 그림 14. 위상 천이 회로에 의한 SCR 위상 제어

* ‌전자기술이 반도체의 기초지식과 기술 이해를 돕기 위해 성안당의 <전자공학입문>을 연재합니다. <편집자 주>