2. 전계효과 트랜지스터 ( FET : Field Effect Transistor ) : 단자, 소자별 분류 와 물리적 구조

FET의 단자 명칭은  양극성 접합 트랜지스터 ( BJT : Bipolar Junction Transistor )와 어떻게 구별 되는지 검토해 보자.

양극형 접합 트랜지스터 ( BJT : Bipolar Junction Transistor )는 전하 운반자가 방출되는 곳을 에미터( Emitter ) 라고 하고, 전하 운반자가 최종적으로 빠져 나가는 곳을 컬렉터 ( Collector )라고 했으며, 베이스 ( Base )는 초기 양극형 접합 트랜지스터인 점 접합 트랜지스터를 실험실에서 만들 때, 마치 모체 같은 역활을 해서 베이스라는 명칭을 가졌다는 것은 이미 기술 했다.

 

 

위의 그림은 초기 점접점 트랜지스터 연구소 제작 원형 모습이다. 실리콘보다는 게르마늄 ( 저마늄 )을 사용 했다는 것을 볼 수 있다. 베이스단이 기반이 되고 에미터, 컬렉터단이 절연체와 붙어 베이스단에 점 처럼 연결되어 있어 점접점 트랜지스터라고 명명했다고 했다. BJT 회로기호가 만들어지는 착상도 점접점 트랜지스터의 형상에 기반 한다고 밝힌 바 있다.

BJT( NPN형 ) 와 FET ( N 채널 JFET )의 회로기호가 어떻게 다른지 살펴본다.

 

전계효과 트랜지스터 ( FET : Field Effect Transistor )에서는 단자의 명칭이 다르게 명명된다. 전하 운반자의 움직임이라는 면에서는 BJT와 엇비슷하여 크게 다른 의미를 가지는 것은 아니지만, 혼동되는 것을 방지하기 위하여 사용하는 용어는 달라진다. 영어 단어 source는 원천이나 근원등을 의미하는 바, 전하 운반자는 소스( Source )를 통해 발생, 방출 되어 흘러 나가고, 영어 단어 drain은 물 등이 빠져나가는 배출을 의미하기 때문에 드레인( Drain )은 글자 그대로 흘러 나오는 단자가 된다. 영어단어의 뜻과 동떨어지게 작명을 하진 않았다.

​드레인 대신 비슷하다고 BJT상의 컬렉터라는 말을 사용하면 소자가 BJT인지 FET인지 현장에서는 소통에 애를 먹게 된다. 결정적으로 FET 와 BJT가 다른 것은 게이트 ( Gate ) 단자이다. 사전적 으로 문(門)으로 해석 된다고 해서 전하 운반자가 이쪽으로 들어 오거나 나가는 역할을 하는 것이 절대 아니다. 오해해서는 안 되는 대목이다. 

FET 에서 게이트 단자는, 단지 전류가 흐르는 길을 의미하는 채널을 조정하는 역할만 수행한다. 여기서는 오직 전압에 의해 드레인( Drain )과 소스 ( Source )사이에 흐르는  전류를 제어 한다. BJT에서 베이스 단자가 예전에 마치 마을 수동펌프에서 마중물을 넣어야 물을 길러 낼 수 있는 것처럼, 아주 적은 전류의 양을 조절함으로 컬렉터와 에미터 사이의 큰 전류를 제어 하도록 기능하는 것과는 대조적으로 조절자의 역할을 수행 한다.  

이러한 동작상의 차이로 인해 BJT는 베이스의 '전류에 의해 제어 되는 소자'라고, 그리고  FET는 '전압에 의해 제어 되는 소자'라는 소리를 입에 발린 것 마냥 읊었던 것이다. 어떤 사람들은 손을 번쩍 들고 어찌 BJT가 전류로만 제어 되는 소자냐고 얼굴 붉히며 되 묻지만, 대체적으로 그렇다는 이야기이니 정언 명제적으로 받아들일 필요까지는 없다. 그러나 실제로는 간편한 문장 하나가 소자를 이해하는데 유익한 점이 있음을 간과해서는 안된다. 한 순간에 풍경을 보고 여기저기 돋아난 잡초까지 생각할 필요없이 전체적인 실루엣을 기억하는 뇌의 압축적 사고과정을 무시하지 말기로 하자.

​여기까지 설명으로 아직 FET 회로기호만으로는 전류가 흘러 들어 갈 것도 같고, 또한 절연되어 있다는 표식을 찾기 어려우므로, 전압만으로 제어 된다는 말에 선듯 수긍하기 아직은 일러 보인다. 

​BJT와 FET 단자를 표를 그려 보기 좋게 서로 비교해 본다.

 

 

서로 근접하게 연관되어 있는 것끼리 비교한 표이므로 BJT와 FET의 서로 명칭은 다르지만 얼추 엇비슷한 동작을 하리라고 결론 내려도 무방 할 것 같다. 

족보 분류상 세분화 되어 나누어진 파생소자들의 작명 의미를 좀 더 파고들어가 보자.

FET는 FET인데 앞에 MOS라는 수식어가 붙은 MOSFET는 왜 그런 명칭을 얻었는지 MOSFET( 모스펫이라 읽어준다 )중 하나인 N 채널 Depletion MOSFET의 구조를 보고 설명한다.

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​구조 그림에서 네모 점선 안의 게이트 단자를 눈여겨 보면, 적층된 구조가 확연하게 보일 것이다. MOS라는 수식어가 붙은 것은 게이트( Gate ) 단자의 구조에서 파생한 이름이다. 

MOS는 Metal Oxide Semiconductor의 머리글자를 빌어 차용한 것이다. 구조의 맨 위쪽부터 Metal ( 금속 )-Oxide ( 산화물 )-Semiconductor ( 반도체 ) 라는 순서로 적층되어 있기 때문에 구조 그대로 붙인 명칭이다.

​여기서 새겨 두어야 할 중요한 점은

oxide라는 산화물이 왜 여기에 끼어 들었는지, 정체와 역활이 무엇인지 알아 차리는 것이다. 산화물은 전기가 도무지 통하지 않은 절연체일 뿐이라는 사실은, 나중에 보게 되겠지만, 회로 설계하는 입장에서 매우 유용성을 제공한다. 물 샐틈 없이 전류가 차단된다. 이런 구조라면 게이트( Gate ) 단자에 금속, 산화물, 반도체 순으로 적층되어 있으므로, 게이트( Gate )는 본체와는 전기적으로 완전히 분리되어 있다는 것을 감지 할 수 있고, 이것이야 말로 MOSFET의 특징이라 정리 할 수 있다. 

따라서 게이트( Gate )단은 구조상 본체와는 절연 되어 있어 전류는 절대 드나들 수 없으며, 오직 전압을 가하여 전계만 강하게 형성시킴으로써 트랜지스터의 동작을 유발할 수 밖에 없다. 아항 그래서 MOSFET가 전계효과를 갖는 트랜지스터라는 범주 안에 포섭 된다는 것을 납득하게 되는 것이다. 

여기까지 이해하기 번거로운 면이 있지만, 설상가상( 雪上加霜 )으로 MOSFET안에는 또 다른 소자들이 분류상 나누어 지게 되어 있다. 공부할 때 애를 먹는 부분이 바로 이 시점에서 부터이다. 아예 외면하고 싶고, 분류에 분류 해 갈수록 복잡하게 얽혀가는 듯하니 짜증이 나는 곳이기도 하다. 

분류하는 사람이야 직업상 연구해서 구별하겠지만, 공부로 따라가는 사람들은 죽을 맛이 된다. 회로기호 마저도 저항이나 콘덴서나 코일과 같은 수동소자와 같이 이해하기 간단한 형태와는 거리도 멀다. 그리는 것 자체가 한자 설설 기면서 그리는 것과 같다.

​말 나온 김에

아래 제일 어렵다는 한자를 출현시켜 보고,이 무지막지한 한자를 외워 쓰기 보다는 모스펫이 훨씬 쉽다고 위안을 삼아 보자. 서안지역에서 손으로 만든다는 면( 面 : 밀가루 면, 국수같은 것 )이라는 의미를 가진 아래 한자를 보고, MOSFET 회로기호는 복잡하기로는 새발의 피도 아님을 불현듯 깨닫는 것은 정신건강에 매우 이롭다. 어렵다고 손사레 치지 말고 MOSFET 자세히 보기 전에 예방백신을 미리 맞아 두는 셈 치자는 것이다. 하나의 글자가 거의 타투 수준에 버금간다. 수타면을 만드는 사람들은 팔뚝에 문신 새겨둘 만한 복잡미도 있다. 

 

 

그나저나 이 한자를 어떻게 파자 해야 하나?  굴( 穴 ) 안에서 일가친척, 작은 애들( 幺×2 )을 비롯해 나이 지긋한 사람들( 長 ×2 )이 말( 馬 )처럼 든든한 네다리가 있는 식탁 중간에 있는 냄비 안으로 고기( 肉=月? )를 칼( 刀=刂)로 썰어 넣으면서 수다를 떨고( 言 ) 말 달리듯( 辶 ) 맛있어서 정신없이( 心 ) 먹는 면??  국수가락에도 이런 깊은 스토리를 담은 것이 한자이던가!!! 파자가 혹시 틀렸어도 이해 하시라. 당장은 MOSFET 용어 파자( 破字 )가 더 중요하니까 말이다.

​그리하여

MOSFET는 Depletion 과 Enhancement 두 가지 형태로 또 다시 분류가 된다.

 

영어의 원뜻으로 보면 Depletion은 감소( 공핍 ), Enhancement는 증가, 향상을 의미한다. 언듯 보면 Enhancement 라는 말 때문에 뭔가 비교하는 대상에 비해 더 첨가되어 있거나, 복잡하게 버젼-업이 된 것처럼 느껴지기도 한다. 영어 뜻에 현혹 되어 MOSFET 구조상 뭔가 구조적 장치가 결핍 되어 있으면 Enhancement 형이 아니라고 지레짐작 하기 때문에 MOSFET 구조를 보고, 회로기호를 볼 때 어떤 것이 Depletion 형태인지, 어떤 것이 Enhancement  형태인지 전혀 헷갈리는 요인이 되어 버린다. 또한 자료들에 따라 회로 기호들이 가벼운 돌연변이를 일으키면 안그래도 울렁증이 생기는데 혼동은 더해간다.

​먼저 우리가 기본적으로 분별해야 할 FET들의 종류별 그림을 감상하기로 한다. 우라질 면( 面 )이라는 한자 보다는 훨씬 만만해 보인다.

- FET 계열 회로기호

 

 

- FET 종류별 구조

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 헌데

구조는 그렇다 치고, 회로기호를 척 보면 무릎 치며 알 수 있도록 친절하게 설명 해주는 자료는 대체로 찾아 보기 어렵다. 대부분 간과한다. 그래서 회로기호 이해에서부터 좌절을 맛보는 사람들이 더러 생기는 것이다.  

FET의 소자들를 쉽게 구분하여 전혀 헷갈리지 않게 머리속에 인 박히도록 자세하지만 핵심을 뚫는 설명을 해야 할 것 같다. FET를 용이하게 구분하고, 이해 하기 위한 핵심 요점을 간추리기로 하자. 

두 가지 핵심사항을 기억하면 MOSFET 구분은 식은 죽 먹기처럼 쉽고, 오히려 친근해 질 것 같은 기분도 들게 될 것이다. 책은 나와 친해지려고 절대 노력하지 않는다. 다만 내가 책과 친해지도록 엉덩이를 책상 의자에 본드로 붙여 놓아야 이해의 왕도가 펼쳐진다. 그런데 쉬운책 놔두고 굳이 어려운 책 붙잡고 씨름하는 교만한 엉덩이는 진무를 진저...