쇼트키 트랜지스터

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1. 개요
2. 구조
3. 동작 원리
4. 역사
참조

1. 개요

쇼트키 트랜지스터는 일반적인 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)에 쇼트키 다이오드를 추가하여 스위칭 속도를 향상시킨 소자이다. 트랜지스터의 베이스와 컬렉터 사이에 쇼트키 다이오드를 설치하여, 트랜지스터가 포화되는 것을 방지하고 베이스에 전하가 축적되는 것을 줄여 신호 전파 지연을 감소시킨다. 이러한 구조는 1956년 베이커 클램프 회로에서 처음 사용되었으며, 1964년 제임스 R. 비어드에 의해 특허화되었다. 쇼트키 트랜지스터는 7400 시리즈 집적 회로의 74S, 74LS 등과 같은 쇼트키 TTL 로직 패밀리에 널리 사용된다.

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쇼트키 트랜지스터
쇼트키 트랜지스터
기본 정보
유형	바이폴라 접합 트랜지스터
용도	포화 방지
발명가	제이콥 밀먼
설명
특징	일반적인 트랜지스터 보다 포화가 덜함. 베이스와 컬렉터 사이에 쇼트키 다이오드를 내장. 쇼트키 장벽 다이오드의 전압 강하를 통해 트랜지스터의 포화 정도를 줄임.
작동 원리	쇼트키 다이오드는 베이스와 컬렉터 사이의 전압을 제한하여 트랜지스터를 포화 상태에 이르지 못하게 함. 컬렉터의 전압이 베이스 전압보다 낮아질 때 쇼트키 다이오드가 전도되기 시작하여 과도한 전류 흐름을 방지.
장점	스위칭 속도 향상 포화로 인한 전력 손실 감소 고주파 동작에 적합
단점	일반 트랜지스터보다 복잡한 구조 더 높은 비용
응용 분야	논리 회로 고속 스위칭 회로 전원 회로 고주파 회로

2. 구조

일반적인 접합형 트랜지스터를 사용하여 논리회로를 구성할 때, 차단 모드와 포화 모드를 사용한다. 출력을 논리 L로 유지하기 위해 포화 모드를 사용하고, 출력을 논리 H로 하기 위해 차단 모드로 동작하는 구조가 필요하다. 이 논리 상태에서 H와 L 상태 변화 시, 포화 모드가 되기 위해 베이스의 전류가 필요한데 전류는 전하의 축적으로 나타난다. 이 전하 축적이 고속 동작할 때 문제를 일으킨다. 포화 모드와 차단 모드 변화 시, 축적된 전하가 방전되는 시간이 필요한데 이것이 논리 소자의 신호 전파 속도 지연(propagation delay)을 일으킨다.

쇼트키 트랜지스터는 이 전하의 축적을 보다 더 적게 하기 위해 쇼트키 다이오드를 추가하는 구조를 사용한다. 전하 축적을 적게 하여 전류를 일반 BJT보다 적게 흐르지만 빠른 전환이 가능하다.^[3] 대신 포화 모드의 동작 전압은 일반 접합형 트랜지스터보다 더 높게 동작한다.

표준 트랜지스터-트랜지스터 로직(TTL)은 트랜지스터를 포화된 스위치로 사용한다. 포화된 트랜지스터는 완전히 켜지며, 이는 수집기 전류에 필요한 것보다 훨씬 많은 베이스 구동 전류를 가지고 있음을 의미한다. 과도한 베이스 구동 전류는 트랜지스터의 베이스에 축적된 전하를 생성한다. 이 축적된 전하는 트랜지스터를 켜짐에서 꺼짐으로 전환해야 할 때 문제를 야기한다. 전하가 존재하는 동안 트랜지스터는 켜져 있으며, 트랜지스터가 꺼지려면 모든 전하가 제거되어야 한다. 전하를 제거하는 데 시간이 걸린다(저장 시간이라고 함). 따라서 포화의 결과는 베이스에 인가된 꺼짐 입력과 콜렉터의 전압 변화 사이에 지연이 발생한다. 저장 시간은 원래 TTL 논리 계열의 전파 지연의 상당 부분을 차지한다.

저장 시간을 제거하고 전파 지연을 줄이려면 스위칭 트랜지스터가 포화되지 않도록 할 수 있다. 쇼트키 트랜지스터는 포화 및 저장된 베이스 전하를 방지한다.^[1] 쇼트키 트랜지스터는 트랜지스터의 베이스와 콜렉터 사이에 쇼트키 다이오드를 배치한다. 트랜지스터가 포화에 가까워짐에 따라 쇼트키 다이오드는 도전하여 과도한 베이스 구동 전류를 콜렉터로 분로시킨다. (이 포화 방지 기술은 1956년 베이커 클램프에서 사용되었다.) 결과적으로 포화되지 않는 트랜지스터를 쇼트키 트랜지스터라고 한다. 쇼트키 TTL 논리 계열(예: S 및 LS)은 중요한 부분에 쇼트키 트랜지스터를 사용한다.

3. 동작 원리

쇼트키 트랜지스터는 일반적인 BJT가 포화 상태일 때 발생하는 전하 축적 문제를 해결하기 위해 쇼트키 다이오드를 추가한 것이다. 이 구조는 트랜지스터의 스위칭 속도를 향상시킨다.

일반적인 BJT를 사용한 논리 회로는 '차단 모드'와 '포화 모드'를 사용하여 논리 H와 L 상태를 표현한다. 논리 L 상태를 유지하기 위해 포화 모드를 사용하는데, 이때 베이스에 축적되는 전하가 문제가 된다. 상태 변화 시 축적된 전하가 방전되는 시간이 필요하며, 이는 신호 전파 지연을 일으킨다.^[3] 쇼트키 트랜지스터는 쇼트키 다이오드를 통해 이 전하 축적을 줄여, 일반 BJT보다 빠른 전환이 가능하다. 하지만 포화 모드 동작 전압은 일반 BJT보다 높다.

표준 트랜지스터-트랜지스터 로직(TTL)에서는 트랜지스터를 포화된 스위치로 사용한다. 포화된 트랜지스터는 완전히 켜진 상태이며, 콜렉터 전류에 필요한 것보다 많은 베이스 구동 전류를 가진다. 과도한 베이스 구동 전류는 베이스에 전하를 축적시키고, 이 축적된 전하는 트랜지스터가 켜짐에서 꺼짐으로 전환될 때 문제를 일으킨다. 전하가 존재하는 동안 트랜지스터는 켜진 상태를 유지하며, 트랜지스터를 끄려면 이 전하를 모두 제거해야 한다. 전하 제거에는 시간이 걸리며(저장 시간), 이는 전파 지연의 주요 원인이 된다.^[1]

쇼트키 트랜지스터는 트랜지스터의 베이스와 콜렉터 사이에 쇼트키 다이오드를 배치하여 포화를 방지한다. 트랜지스터가 포화에 가까워지면 쇼트키 다이오드가 과도한 베이스 구동 전류를 콜렉터로 우회시킨다. 쇼트키 다이오드의 순방향 전압 강하는 0.25V로, 일반 실리콘 다이오드의 0.6V보다 훨씬 작다. 트랜지스터가 전도될 때 베이스-에미터 접합에는 약 0.6V의 전압이 걸리고, 쇼트키 다이오드는 역방향 바이어스 상태가 된다. 입력 전류가 증가하여 콜렉터 전압이 베이스 전압보다 낮아지면 쇼트키 다이오드가 전도되기 시작하여 베이스 구동 전류의 일부를 콜렉터로 흘려보낸다.

결과적으로 콜렉터 포화 전압은 베이스-에미터 전압(약 0.6V)에서 쇼트키 다이오드의 순방향 전압 강하 (약 0.2V)를 뺀 값보다 작게 설계된다. 이렇게 하면 과도한 입력 전류가 베이스에서 우회되어 트랜지스터는 포화 상태에 들어가지 않게 된다.^[2] 이러한 방식으로 쇼트키 트랜지스터는 저장 시간을 줄이고 전파 지연을 개선한다. 쇼트키 TTL 논리 계열(예: S, LS)은 이러한 쇼트키 트랜지스터를 사용한다.

4. 역사

1956년, 리처드 베이커(Richard Baker)는 트랜지스터의 포화를 방지하기 위한 여러 개의 이산 다이오드 클램프 회로를 설명했다. 이 회로들은 현재 베이커 클램프로 알려져 있다. 그중 하나의 클램프 회로는 쇼트키 트랜지스터와 같은 회로 구성에서 실리콘 트랜지스터를 클램핑하기 위해 단일 저마늄 다이오드를 사용했다. 이 회로는 저마늄 다이오드가 실리콘 다이오드보다 순방향 전압 강하가 더 낮다는 점에 의존했다.

1964년, 제임스 R. 비어드(James R. Biard)는 쇼트키 트랜지스터에 대한 특허를 출원했다. 그의 특허에서 쇼트키 다이오드는 컬렉터-베이스 접합의 순방향 바이어스를 최소화함으로써 트랜지스터의 포화를 방지하여 소수 캐리어 주입을 무시할 수 있을 정도로 줄였다. 다이오드는 동일한 다이에 통합될 수도 있었고, 소형 레이아웃을 가지고 있으며, 소수 캐리어 전하 저장이 없었고, 기존 접합 다이오드보다 더 빨랐다. 그의 특허는 또한 쇼트키 트랜지스터가 DTL 회로에 사용될 수 있고, 쇼트키-TTL과 같은 포화 논리 설계의 스위칭 속도를 저렴한 비용으로 향상시킬 수 있는 방법을 보여주었다.

1971년, 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)는 쇼트키 다이오드를 사용한 74S TTL 논리 계열을 출시했다. 이후 74LS, 74AS, 74ALS, 74F TTL 논리 계열에도 포함되었다.

참조

_[1] 서적 Integrated Circuits and Semiconductor Devices: Theory and Application McGraw-Hill
_[2] 서적 Integrated Circuits and Semiconductor Devices: Theory and Application McGraw-Hill
_[3] 서적 Integrated Circuits And Semiconductor Devices: theory and application

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