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2018.06.07 Si 파워 디바이스

트랜지스터란? – 분류와 특징

Si 트랜지스터란?

이제부터는 「Si 트랜지스터」에 대해 설명하겠습니다. Si 트랜지스터는 바이폴라 및 MOSFET와 같이, 제조 프로세스 및 구조에 따른 분류가 있습니다. 또한, 전류 및 전압, 어플리케이션에 따라서도 분류할 수 있습니다. 여기에서는 파워 디바이스를 테마로, 다양한 트랜지스터 중에서 파워계를 다루고자 합니다. 그 중에서도 최근 대전력을 제어하는 어플리케이션에 많이 사용되는 MOSFET를 중심으로 설명하겠습니다.

먼저, 기초적인 내용으로서, 트랜지스터의 분류와 특징에 대해 확인하고자 합니다.

Si 트랜지스터의 분류

Si 트랜지스터는 분류하는 관점에 따라 여러 분류 방법이 있습니다. 여기에서는 대략적이기는 하지만, 구조와 프로세스 면에서 하기와 같이 분류해 보았습니다. 그 중에서 본 사이트의 테마인 파워계를 두꺼운 글씨로 표기해 두었습니다.

바이폴라 트랜지스터와 MOSFET에는 파워 타입과 소신호 타입이 있습니다. IGBT는 원래 대전력을 취급하기 위해 개발된 트랜지스터이므로, 기본적으로 파워 타입만 있습니다.

참고로, MOSFET는 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor의 약자로, 전계 효과 트랜지스터 (FET)의 일종이며, IGBT는 Insulated Gate Bipolar Transistor의 약자입니다.

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Si 트랜지스터의 특징

하기는 트랜지스터의 주요 검토 항목에 대한 특징을 바이폴라 트랜지스터, MOSFET, IGBT 각각에 따라 정리한 표입니다.

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각 항목에 대한 평가는 대표적인 특성을 바탕으로 하였으므로, 개별적으로는 일치하지 않는 경우도 있습니다. 전체적인 경향, 특징이라고 생각해 주십시오. 또한, 이들 트랜지스터의 구조와 동작 원리, 대표적인 파라미터를 하기와 같이 정리하였습니다.

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바이폴라 트랜지스터 (그림은 NPN의 예)는 PN 접합으로 구성되어, 베이스에 전류가 흐름으로써 콜렉터-에미터 간에 전류가 흐릅니다. 앞에서 기재한 특징 표에 따르면, 구동에 있어서는 증폭률, 콜렉터 전류와의 관계에 따라 베이스 전류를 조정해야 합니다. MOSFET와 크게 다른 점은 증폭 또는 ON / OFF를 위한 바이어스 전류가 트랜지스터 (베이스)에 흐른다는 점입니다.

또한, MOSFET의 경우, 특히 대전력을 취급하는 경우에 중요한 특성인 ON 저항이라는 파라미터가 있지만, 바이폴라 트랜지스터에는 ON 저항이라는 파라미터가 없습니다. 세계 최초의 트랜지스터는 바이폴라 트랜지스터이므로 표현의 순서가 뒤바뀐 것 같이 느껴질지도 모르겠습니다. 그러나, 오늘날 특히 전원 회로에 있어서는 MOSFET가 주류이므로 MOSFET부터 사용하기 시작한 분도 많으리라 생각되어, MOSFET를 메인으로 설명한 것입니다. 바이폴라 트랜지스터에서 ON 저항에 해당되는 것은 VCE (sat)이며, 콜렉터 – 에미터 간의 포화전압입니다. 이는 기정된 콜렉터 전류가 흐를 때, 즉 트랜지스터 ON 시의 전압 강하이므로, 이 값에서 ON 시의 저항을 구할 수 있습니다.

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MOSFET (그림은 Nch의 예)는 게이트에 전압을 인가함에 따라 소스와 드레인 사이에 채널이 형성되어 도통합니다. 또한, 게이트는 산화막에 의해 소스 및 드레인과 절연되어 있으므로 도통이라는 의미에서의 전류는 흐르지 않습니다. 단, Qg라는 전하가 필요합니다.

MOSFET에 대해서는 추후에 상세 내용을 설명하도록 하겠습니다.

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IGBT는 바이폴라 트랜지스터와 MOSFET의 복합 구조입니다. MOSFET와 바이폴라 트랜지스터의 우수한 특성을 이용하기 위해 개발된 트랜지스터입니다. MOSFET의 “게이트 전압 제어에 의한 고속 동작”, 바이폴라 트랜지스터의 “고내압에서도 저 ON 저항”이라는 특징을 동시에 가지고 있습니다.

동작은 MOSFET와 같이, 게이트에 전압을 인가함으로써 채널이 형성되어 전류가 흐릅니다. MOSFET (Nch 예)는 동일한 N타입 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르는데 반해, IGBT는 P타입의 콜렉터에서 N타입의 에미터로 전류가 흐르는 구조, 즉 바이폴라 트랜지스터와 동일한 구조입니다. 따라서, MOSFET의 게이트 관련 파라미터와 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터 – 에미터 관련 파라미터를 가지고 있습니다.

기본 동작 특성의 비교

이들 3종류의 트랜지스터는 동작 특성이 각각 다릅니다. 하기는 기본이 되는 Ic / Id에 대한 Vce / Vds의 특성을 나타낸 그래프입니다. 파워 디바이스는 기본적으로 스위치로서 사용되므로, 되도록 Vce / Vds가 낮은 조건에서 사용하게 됩니다. 이는 이용하는 회로 조건에 따라 어느 트랜지스터가 최적인지 검증할 때의 대표적인 특성 중 하나입니다.

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키 포인트

・여기에서는 파워 트랜지스터로서 바이폴라, MOSFET, IGBT를 다루었다.

・바이폴라 트랜지스터, MOSFET, IGBT의 기초적인 특징을 확인한다.

실리콘 파워 디바이스의 특징을 활용한 어플리케이션 사례