어떤 반도체 소자는 차단 영역에서 열린 스위치처럼 동작합니다.
이러한 반도체 소자는 디지털 회로의 기본이 되는 핵심 요소입니다.
따라서 이번 글에서는 차단 영역에서는 열린 스위치로 동작하는 반도체 소자의 원리 5가지를 알아보겠습니다.
TOP 1. 다이오드: 순방향만 허용하는 전류 게이트
가장 기본적인 반도체 소자는 다이오드입니다.
다이오드는 전류가 한 방향으로만 흐르도록 제어합니다.
이러한 다이오드는 PN 접합으로 구성되어 있습니다.
PN 접합이라는 특징 덕분에 순방향 전압이 인가될 때만 전류가 흐르고, 역방향 전압이 인가되는 상황에서는 차단 영역에 머물러 전류를 차단합니다.
이 특성은 반도체 소자가 열린 스위치처럼 동작하는 원리를 만들어냅니다.
덕분에 다이오드는 정류 회로나 보호 회로 등에서 널리 활용됩니다.
다이오드의 이 간단한 동작 원리는 복잡한 회로 설계의 기반이 되기도 합니다.
TOP 2. 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT): 증폭과 스위칭을 동시에
BJT(Bipolar Junction Transistor) 반도체 소자는 에미터, 베이스, 컬렉터의 3단 구조로 이루어져 있습니다.
이러한 BJT는 전류의 흐름을 증폭하거나 차단하는데 사용됩니다.
BJT 소자 역시 차단 영역에서 열린 스위치처럼 동작할 수 있습니다.
차단 영역에서는 베이스 전류가 거의 발생하지 않습니다.
즉 컬렉터와 에미터 사이에 전류가 흐르지 않습니다.
포화 영역에서는 충분한 베이스 전류가 발생하여 컬렉터와 에미터 간에 전류가 흐르게 됩니다.
이는 마치 스위치가 켜진 것처럼 동작하게 됩니다.
BJT는 이러한 특성을 바탕으로 아날로그 신호 증폭뿐만 아니라 디지털 회로의 스위칭 소자로도 활용됩니다.
TOP 3. MOSFET: 전압으로 제어되는 대표 스위치
현대 디지털 회로에서 가장 널리 사용되는 반도체 소자는 MOSFET입니다.
MOSFET는 게이트, 드레인, 소스의 구조로 형성되어 있습니다.
이때 게이트 전압을 통해 전류의 흐름을 제어할 수 있습니다.
MOSFET는 크게 두 가지 모드로 동작합니다.
먼저 MOSFET는 차단 영역에서 게이트에 문턱 전압 이하의 전압이 인가될 때는 채널이 형성되지 않습니다.
마치 스위치가 OFF 된 것처럼 전류가 흐르지 않게 됩니다.
활성 영역에서는 문턱 전압을 넘으면 채널이 생성되어 전류가 흐르게 됩니다.
마치 스위치가 ON 된 것처럼 전류가 흐르게 됩니다.
MOSFET는 전력 소모가 낮고, 고속 동작이 가능합니다.
이러한 특징들 덕분에 MOSFET는 마이크로프로세서, 메모리, 로직 회로 등에서 필수적인 소자로 자리 잡게 되었습니다.
TOP 4. IGBT: 전력 제어에 특화된 하이브리드 소자
IGBT는 Insulated Gate Bipolar Transistor의 약자입니다.
IGBT는 MOSFET의 입력 특성과 BJT의 출력 특성을 결합한 독특한 구조입니다.
대표적으로 고전압, 고전류 환경에서 스위칭 기능을 수행합니다.
특히 전력 제어용 장치인 인버터, 전기차 파워 모듈 등에서 자주 사용됩니다.
IGBT는 차단 영역에서 게이트 전압이 낮아 전류가 흐르지 않게 됩니다.
즉 마치 스위치가 열려 있는 상태처럼 동작합니다.
만약 게이트에 충분한 전압이 인가되면 전도 상태로 전환되어 대전류를 전달하게 됩니다.
이러한 IGBT 소자는 높은 전력 효율과 빠른 스위칭 속도를 갖추고 있습니다.
산업용 및 가전용 전력 변환에 필수적인 역할을 합니다.
TOP 5. SCR(실리콘 제어 정류기): 트리거 후 지속적 전도
SCR(Silicon Controlled Rectifier)는 일종의 4단자 트라이악입니다.
일단 한번 트리거되면 계속해서 전류가 흐르게 됩니다.
외부 전원이 끊겨야만 차단된다는 특징 있습니다.
이는 일반적인 스위치와는 달리, 한번 닫히면 스스로 열리지 않습니다.
차단 상태에서는 트리거 신호가 없기 때문에 열린 스위치처럼 동작합니다.
트리거 이후에는 다시 전류가 흐르기 시작하여 회로가 닫힌 것처럼 보이게 됩니다.
SCR은 대표적으로 조명 제어기, 전력 조정기, 전자식 퓨즈 등 다양한 전력 제어 회로에 사용됩니다.
안정적이고 강력한 차단 특성을 가지고 있다는 장점이 있습니다.
결론
반도체 소자가 차단 영역에서 열린 스위치처럼 동작하게 되면 전기 흐름을 정밀하게 제어할 수 있게 됩니다.
디지털 회로뿐만 아니라 전력 시스템 전체에서 핵심적인 역할을 하고 있습니다.
오늘 소개한 다이오드, BJT, MOSFET, IGBT, SCR 각각은 고유한 특성과 적용 분야를 지니고 있습니다.
회로 설계자들은 이들의 동작 원리를 기반으로 다양한 전자 시스템을 구성하게 됩니다.
오늘날의 반도체 기술들은 이러한 기본 반도체 소자의 정교한 조합과 제어 위에 구축되어 있습니다.
향후에도 더 작고 빠르며 효율적인 소자 개발이 끊임없이 이어질 것입니다.
이러한 반도체의 열린 스위치 전환 기술이 더욱 발전하면서 우리의 삶을 보다 윤택하게 만들어 주길 바랍니다.
오늘 글은 여기까지입니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.