Transistor (Transe + Register)¶
오늘날 전자기기 에서 주로 사용되는 소자이며, 전기회로와 전자회로를 구분짓는 active device 의 대표격인 소자.
전류(BJT) 또는 전압(FET)에 의해 제어되는
- switch, ***
- 가변저항,
- 증폭기
로 사용된다.
기본적으로 배울 때에는 대표적인 Bi-Junction Transistor (BJT)와 Field Effect Transistor (FET)를 다룬다.
- device 하나의 효율은 BJT가 보다 좋지만,
FET는 크기가 매우 작아 같은 크기에 60~80 배의 집적도가 가능하여
BJT보다 FET가 보다 많이 사용되는 추세임. (원가의 측면 등에서도 FET가 훨씬 유리).
FET에서도 Metal Oxide Silicon FET가 주로 많이 사용되고, N-channel MOSFET 과 P-channel MOSFET 중에서도 carrier가 훨씬 빠른 electron을 사용 하는 N-channel MOSFET 이 가장 많이 사용됨.
워낙 작게 만들 수 있기 때문에 컴퓨터의 소형화에 큰 기여를 함.
기본 원리.¶
다음 YouTube 동영상을 참고할 것.
가장 쉽게 이해할 수 있는 NPN BJT로 공부하는게 일반적임.
- PN Junction Diode에 대해 익히고,
- NPN BJT 로 switch 또는 amplifier로서의 동작원리를 파악할 것.
이후 Field Effect Transistor로 넘어가는게 좋음. (컴퓨터 개론 등에서는 FET까지는 다루지 않음)
기본적으로 BJT는 다음의 그림으로 표시됨.
E: Emitter는 Carrier를 공급하는 역할B: Base는 Carrier의 관점에서는 잠깐 머무르는 곳이며, Base는 BJT가 On/Off 여부를 결정.C: Collector는 Carrier를 모으는 역할을 함.
NPN BJT에서
- B-E에 Forward Bias를 가하고 (B=1, E=0), : 0.7V 이상.
- B-C에 Reverse Bias를 가하면 (B=0, E=1),
- E에서 C로 electron이 흘러가게 되어 On 상태 (혹은 증폭된 상태) 가 됨.
단점¶
- "너무 작게 만들 경우 (IC대비) 발열이 커지고"
이같은 발열은 substrate인 silicon에 대한 손상으로 이어지기 때문에
소형화에 한계 가 있다. - carrier의 속도에 의한 동작속도 한계 가 있음.
- 차세대 반도체 소자는 carrier의 직접 이동이 아닌 방법이 고려되고 있음.
요약¶
Transistor는 물리적인 switching을 수행하는 Relay (전기기계식) 나 열을 가해야하는 Vacuum tube (전자식) 등에 비해서 가격, 속도, 크기, 수명 등의 모든 면에서 우수한 device임.
(열전자 대신 semi-conductor를 이용 한 Vacuum tube라고 보면 이해가 쉬움)
N-MOS and P-MOS FET : CMOS¶
N-MOSFET의 경우, Gate에 1 (정확히는 \(V_\text{GS} > V_\text{Th}\))인 경우 close가 되는데, output이 0에 해당하는 \(V_\text{SS}\)에서는 손실이 없지만, 1에 해당하는 \(V_\text{DD}\)는 \(V_\text{DD}-V_{Th}\)가 되어 손실이 발생함.
N-MOS와 P-MOS는 각기 상보적인(complementary) 특징을 가지기 때문에 이 둘을 잘 조합한 CMOS (Complement Metal Oxide Silicon) FET 이 낮은 전력 소모 등의 장점을 보임으로서 컴퓨터에서 많이 사용된다.
매우 낮은 전력소모 를 보이기 때문에,
컴퓨터의 Basic Input/Output System (BIOS)에서
**주변기기 정보를 저장**하는데 사용되는 반도체기반 소자가
바로 CMOS이다.
때문에 CMOS와 BIOS가 엄연히 다른 것인데도
컴퓨터 사용자들 사이에서 마치 같은 용어인 것처럼 같이 사용하는 경우가 많다.