트랜지스터는 저전력 전기 신호를 인가하여 전류를 제어하는 반도체 소자입니다. 트랜지스터는 크게 바이폴라 트랜지스터와 전계 효과 트랜지스터, 두 가지로 나눌 수 있습니다. 지난 장에서는 작은 전류를 이용하여 큰 전류를 제어하는 바이폴라 트랜지스터에 대해 살펴보았습니다. 이번 장에서는 작은 전압을 이용하여 전류를 제어하는 전계 효과 트랜지스터의 일반적인 개념을 소개하고, 접합 전계 효과 트랜지스터라는 특정 유형에 대해 집중적으로 살펴보겠습니다. 다음 장에서는 또 다른 유형의 전계 효과 트랜지스터인 절연 게이트 트랜지스터에 대해 살펴보겠습니다.
모든 전계 효과 트랜지스터는 바이폴라 소자가 아닌 단극성 소자입니다. 즉, 트랜지스터를 통과하는 주요 전류는 N형 반도체를 통과하는 전자 또는 P형 반도체를 통과하는 정공으로 구성됩니다. 아래 섹션에서 소자의 물리적 다이어그램을 보면 이는 더욱 명확해집니다.
N채널 JFET
접합 전계 효과 트랜지스터 (JFET) 에서 제어되는 전류는 소스에서 드레인으로, 또는 경우에 따라 드레인에서 소스로 흐릅니다. 제어 전압은 게이트와 소스 사이에 인가됩니다. 전류가 소스와 드레인 사이를 흐르는 동안 PN 접합을 통과할 필요는 없다는 점에 유의하십시오. 채널이라고 하는 경로는 반도체 물질의 연속적인 블록입니다.
그림 1에서 볼 수 있듯이 이 채널은 N형 반도체입니다.
그림 1. N채널 JFET의 개략적 기호 및 다이어그램 예시.
다음 섹션에서는 또한 제조되는 P형 채널 JFET에 대해 설명합니다.
P채널 JFET
일반적으로 N채널 JFET가 P채널보다 더 널리 사용됩니다(그림 2).
그림 2. P채널 JFET의 회로도 기호와 물리적 다이어그램.
그 이유는 반도체 이론의 모호한 세부 사항과 관련이 있는데, 이 장에서 이에 대해 자세히 다루고 싶지 않습니다. 바이폴라 트랜지스터 와 마찬가지로 , 전계 효과 트랜지스터 사용법을 소개하는 가장 좋은 방법은 가능하면 이론은 피하고 대신 동작 특성에 집중하는 것이라고 생각합니다. 지금 N채널 JFET와 P채널 JFET의 실질적인 차이점은 게이트 재료와 채널 사이에 형성되는 PN 접합의 바이어스뿐입니다.
게이트와 소스 사이에 전압이 인가되지 않으면 채널은 전류가 흐를 수 있는 활짝 열린 경로입니다. 그러나 게이트와 소스 사이에 PN 접합을 역방향 바이어스하는 극성의 전압이 인가되면 소스와 드레인 연결 사이의 흐름이 제한되거나 조절되는데, 이는 베이스 전류량이 설정된 바이폴라 트랜지스터의 경우와 같습니다. 최대 게이트-소스 전압은 소스와 드레인을 통과하는 모든 전류를 "핀치 오프"하여 JFET를 차단 모드로 전환합니다. 이러한 동작은 역방향 바이어스 전압의 영향으로 PN 접합의 공핍 영역이 확장되어 전압이 충분히 높으면 결국 채널의 전체 폭을 차지하기 때문입니다. 이러한 동작은 유연한 호스를 꽉 쥐어서 액체의 흐름을 줄이는 것과 같습니다. 충분한 힘을 가하면 호스가 조여져 그림 3과 같이 흐름을 완전히 차단합니다.
그림 3. 호스를 통해 흐르는 물이 꼬집혀지는 현상에 대한 전류 흐름의 높은 수준의 비유.
이러한 동작 방식이 바이폴라 접합 트랜지스터와 정반대라는 점에 유의하십시오. 바이폴라 트랜지스터는 상시 전원 차단(normally-off) 소자로, 베이스, 컬렉터 또는 이미터에 전류가 흐르지 않습니다. 반면, JFET는 상시 전원 차단(normally-on) 소자로, 게이트에 전압을 인가하지 않아 소스와 드레인에 최대 전류가 흐릅니다.
또한, JFET를 통해 허용되는 전류량은 바이폴라 트랜지스터처럼 전류 신호가 아닌 전압 신호에 의해 결정된다는 점에 유의해야 합니다. 실제로 게이트-소스 PN 접합에 역방향 바이어스가 걸리면 게이트 연결을 통해 흐르는 전류는 거의 0에 가까워야 합니다. 이러한 이유로 JFET는 전압 제어 소자로, 바이폴라 트랜지스터는 전류 제어 소자로 분류합니다.
게이트-소스 PN 접합에 작은 전압으로 순방향 바이어스가 걸리면 JFET 채널이 조금 더 "열려" 더 큰 전류가 흐를 수 있습니다. 그러나 JFET의 PN 접합 자체는 상당한 전류를 감당하도록 설계되지 않았으므로 어떤 경우에도 접합에 순방향 바이어스를 걸지 않는 것이 좋습니다.
이 글은 JFET 동작에 대한 매우 간략한 개요입니다. 다음 섹션에서는 JFET를 스위칭 소자로 사용하는 방법을 살펴보겠습니다.