3. 접합형 전계효과 트랜지스터 ( JFET : Junction Field Effect Transistor ) 구조와 회로기호 이해하기.

전계효과 트랜지스터 종류별( JFET, MOSFET )로 설명을 하기로 하자. 시작은 관상인데 물리적 구조와 회로기호를 일단 유심히 살펴 보고 자유자재로 주물러 주어야 FET에 지레 겁먹지 않게 된다. 권투 링위에서 상대편을 레이저 눈빛으로 쏘아 보아 기를 제압하듯이 JFET의 형상을 각인시켜 본다.

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​물리적 구조는

BJT ( 양극성 접합 트랜지스터 )의 베이스, 컬렉터, 에미터가 서로 붙어( 접합, 接合 ) 있는 것과 같이 게이트, 드레인, 소스가 바로 이웃해서 접합 되어 있는 구조를 갖는다. 접합형이라는 명칭은 그대로 물리적인 구조를 따르고 있다.

드레인과 소스사이에 채널( N 반도체나 P 반도체 )로 연결되어 있어서 드레인-소스 전압만 인가하면 전류가 언제든지 흐를 수 있는 준비가 되어 있다. 게이트에는 반드시 음전압을 인가하여 드레인과 게이트 사이에 역방향바이어스가 걸리게 하고, 드레인과 게이트 사이에 공핍층이 넓어지는 것으로 채널 넓이를 조정해 줌으로 전류를 제어 할 수 있도록 한다. 직류바이어스 거는 방법이 BJT에 비해 약간 색다르긴 하다.

FET에서 눈여겨 보아야 할 부분은 게이트, 소스, 드레인 단자들을 제외하고 본체, 즉 트랜지스터 자체에 촛점을 맞추어야 한다. 그리고 전류가 흐르는 채널이 어떤 반도체로 구성 되었는지를 아는 것이 매우 중요하다. FET는 종류가 어떤 것이든 항상 N 채널이나 P 채널로 구성 된다고 했다. 알다시피 N 채널은 다수캐리어가 전자인 것을 의미하고, P 채널은 다수 캐리어가 정공이라는 것은 이미 선행 학습했다. 

JFET같은 경우는 드레인이나 소스가 동일하기 때문에 이를 구분해 주기 위해 게이트 단자를 소스쪽으로 잇닿게 그려서 소스가 어느쪽에 달려 있는 단자인지 알려 준다.

구조를 보면 N 채널인지 P 채널인지 구분하는 것은 그림에 명시 되어 있기 때문에 어렵지 않게 구별 할 수 있는데, 문제는 회로기호를 주로 다루는 입장에서는 N 채널인지 P 채널인지 구분 해 주는 주석이 전혀 달려 있지 않다, 그림만을 보고 판별해야 하는 어려움이 있다. 하여  N 채널인지 P채널인지 볼 때 마다 헷갈리는 것이다. 그래서 뚜렷한 기준 없이 기호만 악착같이 인식하려 하면 자주 혼선에 빠진다. 서로를 확연하게 구별하는 기준을 갖고 보는 것이 이해의 지름길이다.

FET를 공부할 때 회로기호를 알기 위해서는 두 가지 사항만 알면 정복하기 쉽다고 했다.

회로기호에서 N채널인지 P채널인지 구분할 수 있는 단서는 화살표의 방향이다 . 화살표의 방향을 어떤 기준에 의해서 그려 넣었는지를 파악한다면 N 채널인지 P 채널인지 전혀 혼동할 필요가 없게 된다.

화살표하면 생각나는 반도체 소자가 있다. 바로 다이오드다. 다이오드를 회상해 본다 . 아래는 다이오드의 물리적 구조와 회로기호, 그리고 시판되는 다이오드의 캐소드 표시를 나타낸 그림이다.

 

다이오드 회로기호의 우수리를 다 걷어내고 보면 그림의 본성은 오로지 화살표다. 그런데 다이오드 구조를 보면 기본적으로 PN 접합으로, 순방향 바이어스 ( 애노드가 캐소드에 비해 0.6V 높으면 전류가 애노드에서 캐소드로 흐른다. )가 걸릴 때 전류가 흐르는 방향을 화살표로 전환시켜 회로기호로 빌려 온 것을 짐작할 수 있다.  이렇게 정리하기로 하자. 화살표 방향 표시는 P형 반도체에서 N형 반도체 방향으로 화살촉이 향하게도록 약속한다고 하는 점.

이것이 FET 회로기호를 파악하는데 필요한 두 가지 열쇠 가운데 하나가 된다.

 

 

JFET가 N 채널인 경우, 다이오드 기호를 보면 화살표가 게이트에서 채널방향으로 향하고,

JFET가 P 채널인 경우, 다이오드 기호를 보면 화살표가 채널에서 게이트 방향으로 향하고 있다. 이것만 알면 모든 종류의 FET가 N채널 인지 P채널인지 감별하는 기준을 얻게 되는 것이다. 그런 다음 회로기호를 보도록 한다. 처음 볼 때 보다는 눈으로 익히기가 훨씬 부드러워짐을 느낄 것이다.

 

 

전류방향이 화살표로 그려지는 다이오드 회로를 미리 알고 있는 영민한 머리는 이제부터 전개될 FET가 어떤 종류이던지 불문하고 , N 채널인지 P 채널인지 이성을 통한 추리가 아니라 눈이 뇌가 되어 바로 알아 버리게 된다. 자주 보고 익숙해서 아는 것도 좋지만 뚜렷한 기준을 갖고 직관적으로 아는 것은 효용성 면에서 큰 이득이다.

​자료에 따라 FET들의 변종이 자주 보인다. 규격으로 정해지지 않은 변종들이 더 애용되곤한다. 원조갈비 보다 더 맛있는 원조 갈비집이 생기듯이 이것과 동일한 이야기가 전개 되는 듯하다. 처음 규격으로 제정할 때 보다 그리기 편리해서 인지는 모르겠으나 변형이 있다고 해서 틀리게 그린 것이 아니고, 그렇다고 다른 소자라고 판단해도 안된다.

 

 

​국제전기기술위원회 ( IEC :International Electronical Commission )에서 표준을 정하는데, 'IEC 60617' 을 보면 국제규격으로 정한 회로의 기호를 찾아 볼 수 있다. 아래 원판 그림은 위의 표 안에 그린 그림과 같다.

 

 

비고란에는 친절하게 게이트와 소스를 같은 한 선으로 쭉 그려야 한다는 지침까지 내려주고 있다. 게이트와 소스를 한 선으로 그리니 나머지 한 단자는 자연스레 드레인이 된다. 그래서 단자 표식을 하지 않았는지 모르겠다. 여하튼 변종이 자주 쓰이는 걸 보면 말을 잘 안 듣는게 이 바닥 생리인지 모르겠다.   

​FET의 족보에서 MOSFET 종류로는 Depletion MOSFET와 Enhancement MOSFET로 나누어 진다고 했다. 그런데 JEFT 도 왜 Depletion ( 공핍, 또는 감소 )이라는 수식어를 붙였을까? 의문이 들지 않는가!

FET라는 금궤를 따는 1개의 열쇠는 얻었으니 두 번째 열쇠를 가공하러 가자. 바로 두 번째 열쇠는 MOSFET의 형용사로 사용한 Depletion( 감소 ) 과 Enhancement( 증가) 의 의미를 캐는 작업이 될 것이다. 이는 FET소자들을 구별할 수 있는 변별력을 기르는 두 번째 열쇠, 판단기준이 되는 것이다.

한가지  

FET의 회로기호에서 그림의 어느 부분이 채널에 해당하는지 두 번째 열쇠를 가공하기 전에 알고 넘어가자. 사소한 사항이지만 알면 기분상 풍부해지는 느낌이 든다. FET에서는 채널구성이 핵심이기 때문에 회로기호에서 분해 해 낼 수 있어야 한다.

 

 

회로기호의 드레인과 소스를 이어주는 선이 바로 채널에 해당 한다. MOSFET에서는 이 부분이 Depletion 과 Enhancement 에 따라 변형되는 것을 확인할 수 있을 것이다. 재미 있다면 재미 있는 부분이 되겠다. JFET 회로기호를 보면 드레인-소스가 한 선으로 연결 되어 있다. 이런 그림이 의미하는 것은 전류가 흐를 수 있는 채널은 이미 제작할 때 부터 드레인-소스사이에 연속적으로 존재한다고 판단해 주어야 한다. 이것은 FET의 어떤 소자에도 동일하게 적용할 수 있는 이미지가 된다. 연속적으로 이어지는 선이 없고, 단속적이라면 채널은 제조할 때 부터 형성되어 있지 않은 것이다. MOSFET에서 이런 점이 부각 된다.