안녕하세요. 지난 시간에는 대표적인 트랜지스터인 MOSFET에 대해서 알아봤습니다. 이번 시간에는 또 다른 종류의 트랜지스터인 BJT에 대해서 알아보겠습니다. BJT는 (Bipolar Junction Transistor)의 약자이고, MOSFET은 (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 약자입니다. 이름만 보면 벌써 머리가 아파오지만 걱정하지 않아도 됩니다. 오늘은 전자회로 과목에서 처음 배우는 수준의 내용을 초등학생도 이해할 수 있도록 쉽게 설명해보겠습니다.
BJT의 정의와 구조, 동작 원리
먼저 BJT부터 살펴보겠습니다. BJT는 P형 반도체와 N형 반도체를 세 겹으로 이어 붙인 트랜지스터입니다. PNP형과 NPN형이 있는데, 여기서는 가장 기본적으로 많이 설명하는 NPN BJT를 기준으로 보겠습니다.
NPN BJT는 이름 그대로 N형 반도체, P형 반도체, N형 반도체가 순서대로 연결된 구조입니다. 각 영역에는 이름이 있습니다. 왼쪽 N형 영역을 이미터(Emitter), 가운데 P형 영역을 베이스(Base), 오른쪽 N형 영역을 컬렉터(Collector)라고 부릅니다.
이미터는 전자를 많이 내보내는 역할을 합니다. 베이스는 전자의 흐름을 조절하는 얇은 문과 같습니다. 컬렉터는 이미터에서 출발한 전자를 받아들이는 영역입니다. 즉, NPN BJT에서는 전자의 실제 이동 방향을 기준으로 보면 이미터에서 나온 전자가 베이스를 지나 컬렉터로 이동합니다. 반대로 우리가 일반적으로 회로에서 말하는 전류의 방향은 양전하가 이동한다고 가정하므로 컬렉터에서 이미터 방향으로 흐른다고 표현합니다.
여기서 중요한 부분은 베이스입니다. BJT는 베이스에 아주 작은 전류가 흐르면 컬렉터에서 이미터로 더 큰 전류가 흐를 수 있습니다. 이 때문에 BJT를 전류로 전류를 제어하는 소자라고 설명합니다. 수도꼭지를 떠올려보면 이해하기 쉽습니다. 손잡이를 조금만 돌려도 큰 물줄기의 양을 조절할 수 있습니다. BJT에서 베이스 전류는 수도꼭지 손잡이와 비슷하고, 컬렉터에서 이미터로 흐르는 전류는 실제로 흘러가는 물줄기와 비슷합니다.
NPN BJT가 제대로 동작하려면 베이스-이미터 접합에는 순방향 전압이 걸리고, 컬렉터-베이스 접합에는 역방향 전압이 걸리는 상태가 필요합니다. 말이 어렵지만 핵심은 간단합니다. 베이스와 이미터 사이에 약 0.7V 정도의 전압이 걸리면 베이스 쪽으로 작은 전류가 흐르기 시작합니다. 그러면 이미터에 있던 많은 전자들이 매우 얇은 베이스 영역을 통과해 컬렉터 쪽으로 이동합니다.
베이스는 일부러 아주 얇게 만들어집니다. 만약 베이스가 두꺼우면 이미터에서 온 전자들이 베이스 안에서 양공과 많이 만나 사라질 것입니다. 하지만 베이스가 얇기 때문에 대부분의 전자는 베이스에 오래 머물지 않고 컬렉터로 넘어갑니다. 그래서 작은 베이스 전류가 큰 컬렉터 전류를 조절할 수 있습니다.
이 원리를 이용하면 BJT는 증폭기로 사용할 수 있습니다. 마이크에 들어온 작은 음성 신호를 스피커에서 들을 수 있을 만큼 큰 신호로 키우는 회로를 생각해봅시다. 작은 입력 신호가 베이스에 들어가면 컬렉터 전류가 더 크게 변합니다. 이 전류 변화를 저항이나 다른 회로와 함께 사용하면 작은 신호를 큰 신호로 바꿀 수 있습니다. 이것이 트랜지스터가 증폭 소자라고 불리는 이유입니다.
BJT와 MOSFET의 특징 비교 및 장단점
이제 두 트랜지스터를 비교해보겠습니다. BJT와 MOSFET은 모두 전류의 흐름을 조절하는 반도체 소자이지만, 전류를 조절하는 방식과 회로에서 선호되는 분야가 다릅니다.
| 구분 | BJT | MOSFET |
| 대표 단자 | 베이스, 이미터, 컬렉터 | 게이트, 소스, 드레인 |
| 제어 방식 | 작은 베이스 전류로 큰 컬렉터 전류 제어 | 게이트 전압으로 드레인 전류 제어 |
| 입력 전류 | 베이스 전류가 필요함 | 게이트 전류가 거의 흐르지 않음 |
| 전력 소모 | 상대적으로 큼 | 디지털 회로에서 전력 효율이 좋음 |
| 소형화 | 초고집적 회로에는 상대적으로 불리 | 작게 만들고 많이 집적하기 유리 |
| 주요 활용 | 아날로그 증폭, 전류 구동 회로 | 디지털 논리 회로, 메모리, 전력 스위칭 |
BJT의 장점은 전류 증폭 능력이 좋고, 아날로그 신호를 다루는 회로에서 유리한 경우가 많다는 점입니다. 작은 신호를 비교적 부드럽게 키우는 데 강점이 있습니다. 그래서 과거에는 라디오, 오디오 증폭기, 센서 신호 증폭 회로 등에 BJT가 많이 사용되었습니다. 지금도 특정 아날로그 회로나 고주파 회로에서는 BJT 또는 BJT 계열 소자가 사용됩니다.
하지만 BJT는 베이스 전류가 필요합니다. 즉, 트랜지스터를 켜기 위해 입력 쪽에서도 계속 전류를 공급해야 합니다. 하나의 트랜지스터만 사용할 때는 큰 문제가 아닐 수 있지만, 수백만 개, 수십억 개의 트랜지스터를 한 칩 안에 넣는다면 이야기가 달라집니다. 트랜지스터 하나하나가 전류를 계속 요구하면 전체 전력 소모와 발열이 커질 수 있습니다.
반면 MOSFET은 게이트에 절연막이 있기 때문에 게이트 전류가 거의 흐르지 않습니다. 물론 실제 반도체에서는 누설전류와 충방전 전력이 존재하지만, 기본 구조상 입력 단자에 계속 큰 전류를 흘려야 하는 BJT보다 디지털 회로를 대규모로 만들기에 유리합니다. 이것이 현대의 CPU, GPU, 메모리 반도체가 MOSFET 기반으로 발전한 중요한 이유 중 하나입니다.
또한 MOSFET은 소형화와 양산성에서도 강점을 가집니다. 반도체 공정에서는 실리콘 웨이퍼 위에 같은 구조의 소자를 아주 정밀하게 반복해서 만들어야 합니다. MOSFET은 평면 구조 또는 3차원 구조로 미세화하기 좋고, 게이트 길이와 산화막 두께, 도핑 농도 등을 조절해 특성을 설계할 수 있습니다. 그래서 대규모 집적회로, 즉 아주 많은 트랜지스터가 들어가는 칩에 적합합니다.
MOSFET vs BJT
오늘은 BJT와 MOSFET을 중심으로 트랜지스터에 대해 알아보았습니다. BJT는 베이스에 흐르는 작은 전류로 컬렉터와 이미터 사이의 큰 전류를 조절합니다. 그래서 전류로 전류를 제어하는 소자라고 이해할 수 있습니다. 반면 MOSFET은 게이트 전압으로 소스와 드레인 사이의 채널을 만들고, 그 채널을 통해 전류를 흐르게 합니다. 그래서 전압으로 전류를 제어하는 소자라고 이해할 수 있습니다.
BJT는 아날로그 증폭 회로에서 강점을 가지며, 작은 신호를 크게 키우는 데 유용합니다. MOSFET은 전력 효율, 소형화, 대량 집적, 양산성 측면에서 강점을 가지며 현대 디지털 반도체의 중심이 되었습니다. 특히 CMOS 논리 회로, DRAM, SRAM, Register, CPU, GPU 등 대부분의 현대 반도체 시스템은 MOSFET을 기반으로 만들어집니다.
트랜지스터 하나만 보면 작은 스위치에 불과해 보일 수 있습니다. 하지만 이 작은 스위치가 수십억 개 모이면 반도체 칩이 되어 스마트폰, 컴퓨터, 인공지능 등이 동작하게 합니다. 결국 전자공학과 반도체 산업의 발전은 더 작고, 더 빠르고, 더 적은 전력으로 동작하는 트랜지스터를 만드는 역사라고도 할 수 있습니다.