* 트랜지스터
CPU 를 알아보기에 앞서서 CPU 를 이루고 있는 수억개의 부품, 트랜지스터의 원리에 대해서 알아보고자 한다.
트랜지스터가 하는 가장 중요한 역할은 '전류를 흐르거나 흐르지 않게 할 수 있는 기능' 이다.
이 기능이 어떻게 수행되는지 간단하게 알아보자.
트랜지스터에는 BJT, MOSFET 등 다양한 종류가 있다.
그 중에서 우리는 먼저 간단하게 'BJT ( Bipolar junction Transistor )' 종류인 NPN, PNP 트랜지스터를 알아볼 것이다.
우선, 트랜지스터는 반도체 3개를 결합해 만들어진 요소이다.
반도체를 이루는 실리콘은 14족 원소로 최외각 전자가 4개라고 한다.
이것이 중요한 이유는 원자핵과의 결합력이 가장 약하기 때문에 원자핵의 영향에서 이탈하기 쉽기 때문이라고 한다.
그림을 참고하자.
원소는 안정된 상태를 유지하려는 특성이 존재하며
이것은 최외각 전자 개수를 기준으로 8개 혹은 전자가 아예 없을 때 안정된 상태라고 한다.
이러한 실리콘들을 행렬 지어서 쭉 늘어뜨리면 실리콘은 안정된 상태를 위해 다른 실리콘들의 최외각 4개의 전자와 결합하게 되는데
이를 '공유 결합'이라고 부른다. 이는 완전한 상태와 더불어 절연체로 전기가 통하지 않는다.
이 때,
이 실리콘에 전자를 하나 빼거나 더하는 두 가지 방식으로 전류를 흐르게 할 수 있다. 인위적으로 원자를 조작하는 것이다.
이를 '도핑' 이라고 부른다.
P 타입 도핑을 'P 형 반도체, N 타입 도핑을 N 형 반도체' 라고 부른다.
P 형 반도체는 전자를 하나 뺀 원자이며 비어져있는 전자를 + 전자로도 나타낼 수 있다는 의미에서
'양공' 이라고 부르며 이 비어있는 공간으로 전류가 흐른다.
반대로, N 형 반도체는 전자를 하나 더한 원자이며 이 전자가 이동하면서 전류를 흐르게 한다.
도핑된 P 형 반도체, N 형 반도체 모두 '중성 상태' 이다.
이 중성 상태의 P 형, N 형 반도체를 나란히 두면 N 형 반도체의 전자가 P 형 반도체의 전자로 옮겨가게 되는데
이 때, P 형 반도체는 전자를 하나 받게 되므로 음전하를 띄고 N 형 반도체는 전자가 하나 줄게 되므로 양전하를 띈다.
이는 모두 중성 상태에서 전자를 잃거나 얻었기 때문이다.
따라서, + 전하에서 - 전하로의 전기장이 형성되며 P 형 반도체의 + 전자가 N 형 반도체 너머로 이동하지 못하게 된다.
이 영역을 '공핍층' 이라고 부른다.
전류는 + 에서 - 로 흐른다고 정의되는 것을 상기하자.
위 그림에 표시된 화살표 방향을 살펴보면
P 형 반도체의 + 전하가 있는 쪽 방향인 순방향으로 전압을 주게 되면 척력이 발생하게 되며
이 척력의 힘이 쌔면 공핍층이 뚫어지며 넘어가서는 인력이 발생하게 된다.
신기하게도 이 공핍층을 뚫을 수 있는 전기 힘이 존재하느냐 아니냐에 따라 전류가 흐를지 말지 결정된다.
이 힘은 '전압' 에 의해서 결정된다.
결과적으로,
N 형 반도체 구역을 최대한 얇게 만들고 통과할 수 있는 적절한 전압만 걸어주면 전류가 흐른다.
이 방식을 'PNP 반도체' 라고 부르고 반대의 방식은 'NPN 반도체' 라고 부른다.
PNP, NPN 반도체의 차이를 설명하기 전에 몇 가지 개념을 짚고 가자.
전압은 압력이 세기를 나타내며 '볼트' 라고 부르며 V 를 사용한다.
흐르는 전류의 양을 나타내며 '암페어' 라고 부르며 단위는 A 를 사용한다.
볼트 * 암페어 를 곱한 단위를 '와트' 라고 부르며 단위는 W 를 사용한다.
추가로, BJT 트랜지스터에는 E, B, C 라는 용어가 등장한다.
E 는 Emitter ( 방출 ) 이라는 용어로 '전류의 총량이 지나는 방출점' 이라고 생각할 수 있다.
B 는 Base 의 약자로 '전류를 제어할 수 있는 부분' 을 의미한다. 보통 스위치가 있는 선을 의미한다.
C 는 Collector ( 컬렉터 ) 라고 부르며 '전자를 밀당하는 역할점' 이라고 생각할 수 있다.
공핍층을 뚫어 나온 전자를 끌어당기거나 공핍층을 뚫기 위해 전자를 모아 밀어넣는 것이 상상된다.
그림에서 보이는 3개 발이 달린 트랜지스터에서 순서대로 E,B,C 에 해당한다.
이를 다른 말로는 이미터(E), 베이스(B), 집전기(C) 라고 부르기도 한다.
NPN, PNP 를 구별하기 위해선 외관상으론 표시되지 않고 번호를 검색해야한다고 한다.
NPN, PNP 트랜지스터 모두 스위치가 존재할 수 있는데 이는 '선을 이어줌으로써 전류가 흐르도록 만드는 역할' 이다.
* NPN, PNP 트랜지스터 차이점
위 그림을 보자.
9V 의 전압이 사용되며 총 25mA 의 전류가 흐른다고 가정한다.
물론 전자는 - 에서 + 로 향하지만 전류는 + 에서 - 로 흐른다.
이 방식들의 근본적인 차이는 그림에도 표현했듯이,
PNP 방식은 전류가 트랜지스터에서 '분류' 되는 방식이고
NPN 방식은 전류가 트랜지스터에서 '결합' 되는 방식이라는 것이다.
먼저 우리가 앞서 봤던 PNP 방식부터 살펴보자면,
스위치가 Off 일 땐, 공핍 영역을 넘어 전류가 흐르지 않으니 정전 상태였다가 스위치가 켜진다면
스위치쪽 (B) 으로도 전류가 흐르겠지만 충분한 전압 덕분에 왼쪽 P 형 반도체로 넘어가는 전류량이 많아진다.
총 25mA 의 전류가 흐른다면 베이스(B) 쪽으로는 5mA, 컬렉터(C) 쪽으로는 20mA 각각 전류가 분류되는 사실을 알 수 있다.
베이스(B) 에 전류가 적은 이유는 공핍 영역을 적게 만들기 위해서 가운데 영역을 최대한 얇게 만들기 때문이다.
즉,
PNP 방식은 방출점(E) 로 전류가 들어가며 해당 전류가 베이스(B), 컬렉터(C) 로 나뉜다고 할 수 있다.
반대로 NPN 방식은
스위치가 Off 일땐, 마찬가지로 정전 상태였다가 스위치가 켜진다면
베이스(B) 와 컬렉터(C) 전류가 합쳐져 충분한 전압으로 공핍 영역을 지나치게 되며 전류가 흐른다.
즉,
NPN 방식은 베이스(B) 전류와 컬렉터(C) 전류가 합쳐져 방출점(E) 으로 전류가 나간다고 볼 수 있다.
이러한 원리로
트랜지스터는 CPU 뿐만 아니라 우리가 흔히 볼 수 있는 전기 스위치, 형광등, 마이크, 스피커 등 실생활에서도 자주 사용된다.
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