BJT와 MOSFET 차이, 바이폴라 소자가 아직 쓰이는 곳

대형 쇼핑몰의 출입문에는 두 가지 방식이 있습니다. 경비원이 손님이 올 때마다 직접 문을 잡아 주는 입구, 그리고 센서가 신호를 한 번 받으면 문이 알아서 열리는 자동문입니다. 앞쪽은 경비원이 문 앞에서 계속 힘을 쓰는 대신 한 사람의 수고로 많은 손님이 지나가고, 뒤쪽은 신호만 주면 사람의 수고가 필요 없습니다.

BJT와 MOSFET 차이를 한 줄로 줄이면 전류로 제어하느냐 전압으로 제어하느냐입니다. 그 한 줄 뒤에는 캐리어의 종류, 이득, 속도, 전력, 집적도로 이어지는 이유가 있고, 이 글에서는 그 이유를 짚은 뒤 디지털에서 밀려난 바이폴라 소자가 지금도 쓰이는 곳까지 살펴보겠습니다.

BJT와 MOSFET 차이, 전류로 제어하느냐 전압으로 제어하느냐

BJT(Bipolar Junction Transistor)는 에미터, 베이스, 컬렉터 세 영역으로 이루어집니다. NPN 소자라면 도핑이 높은 n형 에미터와 n형 컬렉터 사이에 아주 얇은 p형 베이스가 끼어 있고, 베이스를 에미터보다 낮게 도핑하는 것이 일반적입니다. MOSFET은 게이트가 산화막으로 채널과 절연된 구조라는 점에서 근본적으로 다릅니다.

이 구조 차이가 제어 방식의 차이를 만듭니다. BJT는 베이스와 에미터 사이 접합을 순방향으로 걸어 베이스 전류 IB를 흘려 주고, 그 전류의 β배가 컬렉터 전류 IC로 흐릅니다. MOSFET은 게이트가 절연되어 있으니 직류 게이트 전류가 거의 없고, 게이트 전압이 만든 전기장이 채널을 열고 닫습니다.

β는 전류 이득으로 소자와 동작 조건에 따라 수십에서 수백까지 나옵니다. 가상 예시로 β가 100인 소자에 IB 10 µA를 넣으면 IC는 1 mA가 됩니다. 작은 전류 하나가 큰 전류를 부리는 것이 BJT의 증폭 방식입니다.

입력 쪽을 보면 차이가 선명해집니다. BJT는 입력에서 베이스 전류가 계속 흘러 정적 전력을 쓰지만, MOSFET은 입력에서 정적 전류가 거의 없습니다. BJT는 전류 증폭, MOSFET은 전압 증폭이라 하는 일이 다르다는 설명은 반쪽만 맞습니다. 두 소자 모두 입력 신호의 변화를 출력 전류의 변화로 바꾸는 점은 같고, 입력에서 무엇이 필요한지가 다를 뿐입니다.

BJT 안에서 전류가 흐르는 방식

증폭에 쓰는 활성 영역에서는 베이스-에미터 접합이 순방향, 베이스-컬렉터 접합이 역방향입니다. 에미터에서 베이스로 전자가 대량으로 주입되고, 베이스가 매우 얇아 대부분이 정공과 재결합하기 전에 컬렉터 쪽 공핍 영역에 닿아 전기장에 의해 컬렉터로 끌려갑니다. 재결합하는 소수만이 베이스 전류가 됩니다.

그래서 β를 키우려면 베이스를 얇고 낮게 도핑하고 에미터를 높게 도핑합니다. 컬렉터 전류의 정체는 베이스 안으로 주입된 소수 캐리어가 확산해 건너가는 전류이고, 전자와 정공이 모두 관여하기 때문에 양극성(Bipolar)이라 부릅니다. MOSFET은 채널에서 한 종류의 캐리어가 움직여 단극성(Unipolar)입니다.

전압과 전류의 관계도 다릅니다. BJT는 VBE가 약 60 mV(300 K에서 VT × ln10) 오를 때마다 IC가 10배씩 늘어나는 지수 관계입니다. 이는 MOSFET의 서브스레숄드 영역과 닮았고, 기울기의 이론 한계가 같은 값이라는 점도 같은 뿌리에서 나옵니다.

BJT에도 채널 길이 변조와 닮은 현상이 있습니다. 컬렉터 전압이 오르면 베이스 쪽으로 퍼지는 공핍 영역 때문에 유효 베이스 폭이 줄어 전류가 늘어나는 얼리 효과(Early Effect)입니다. 또 BJT를 깊이 포화시키면 베이스에 쌓인 저장 전하를 빼내야 해서 꺼지는 속도가 느려집니다.

같은 전류에서 누가 더 힘이 셀까

증폭 능력의 기본 지표는 상호 컨덕턴스 gm, 즉 입력 전압이 조금 변할 때 출력 전류가 얼마나 변하는가입니다. 같은 전류를 흘릴 때 gm이 클수록 적은 전력으로 큰 이득을 얻습니다.

이 수치가 바이폴라가 아날로그 앞단에서 오래 사랑받은 이유입니다. 다만 MOSFET도 문턱 전압 아래의 약한 반전 영역에서 쓰면 전류당 gm이 BJT에 가까워집니다. 대신 전류가 작아 속도가 느리고 같은 전류를 내려면 면적이 커지므로, 설계에서는 이득, 속도, 면적을 함께 맞교환합니다.

디지털에서 MOSFET이 이긴 이유

초기 집적 회로는 바이폴라 로직으로 만들어졌지만, 1980년대를 거치며 디지털 칩의 주류는 CMOS로 넘어갔습니다. BJT와 MOSFET 차이가 가장 크게 드러난 곳이 정적 전력입니다. CMOS는 값이 바뀌지 않는 동안 전원에서 접지로 이어지는 직통 경로가 없는 반면, 바이폴라 로직은 상태를 유지하는 동안에도 전류가 계속 흐르는 구조가 많았습니다.

트랜지스터를 수십억 개 올리는 칩에서는 개당 정적 전력이 작아도 합치면 열 문제가 됩니다. 전력 한계가 곧 집적도의 한계였던 셈입니다.

둘째는 집적과 스케일링입니다. MOSFET은 평면 구조가 간단하고 소자를 줄이는 방법이 체계적으로 정립되어 있었지만, BJT는 얇은 베이스를 균일하게 만들기 어렵고 소자 사이 격리가 더 까다롭습니다. 셋째는 입력 정적 전류가 거의 없어 한 출력이 많은 입력을 받아도 부담이 적다는 점입니다.

바이폴라가 아직 쓰이는 곳

그렇다고 BJT가 사라진 것은 아닙니다. 디지털에서 약점이 되는 전류 소모와 면적은 전류당 이득, 속도, 낮은 잡음이 중요한 곳에서는 문제가 되지 않거나 오히려 강점이 됩니다.

의도하지 않은 BJT도 있습니다. CMOS 구조에는 웰과 기판이 만드는 기생 바이폴라 소자가 숨어 있어 래치업의 원인이 되고, ESD 보호 회로는 이 기생 BJT가 켜지는 성질을 오히려 방전 경로로 활용합니다. MOSFET만 쓰는 칩에서도 BJT의 물리는 따라다닙니다.

BJT와 MOSFET 비교 표

구분	BJT	MOSFET
제어 입력	베이스 전류(순방향 접합)	게이트 전압(절연된 게이트)
정적 입력 전류	필요합니다	거의 없습니다
캐리어	전자와 정공 모두 관여 (양극성)	한 종류가 채널을 이동 (단극성)
전류와 전압 관계	지수 (약 60 mV마다 10배)	강반전에서 제곱 근사, 약반전에서 지수
같은 전류에서의 gm	큽니다 (IC / VT)	상대적으로 작습니다 (2 × ID / 과구동 전압)
디지털 집적	정적 전력과 면적 때문에 불리	CMOS로 대규모 집적에 유리
주요 쓰임	기준 전압, 센서, RF, 전력(IGBT)	프로세서, 메모리, 대부분의 논리 회로

핵심 정리

BJT와 MOSFET 차이의 뿌리는 입력 쪽에 있습니다. BJT는 베이스 전류를 계속 먹으며 지수 특성으로 큰 gm을 내고, MOSFET은 절연 게이트 덕분에 정적 입력 전류 없이 대규모 집적과 낮은 정적 전력을 얻습니다.

그래서 디지털은 MOSFET이, 전류당 이득과 속도와 정밀도가 필요한 아날로그와 RF, 전력은 바이폴라가 각자 자리를 지킵니다. 쇼핑몰의 두 출입문처럼 어느 쪽이 낫다기보다 어디에 놓느냐의 문제이고, 둘이 한 칩에 같이 들어가는 BiCMOS와 IGBT가 그 증거입니다. 다만 비유와 달리 소자의 선택은 문 하나가 아니라 전력, 속도, 면적, 비용의 계산으로 정해집니다.

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