반도체 물성과 소자) 12. MOSFET

MOSFET 종류

MOSFET에는 크게 두 가지 종류가 있습니다.

Enhancement mode MOSFET과 Depletion mode MOSFET입니다. 

Enhancement mode(E-Mode MOSFET)란, 게이트 전압이 0일 때 반전층이 형성되지 않는 모드를 말합니다. 

앞 강의에서 말씀드린 것처럼, 역방향 전압이 커짐에 따라 점점 depletion layer가 생성되고, 이에 반전층이 형성됨에 따라 전류가 흐르는 mode입니다. 

 

즉, normally off 상태의 Transistor입니다.

Depletion mode MOSFET(D-mode MOSFET)이란, 게이트 전압이 0일 때, 이미 반전층이 형성되어 전류가 흐르는 mode를 말합니다.

 

즉, normally on 상태의 Transistor입니다.

 

이번 장에서 특히 E-mode MOSFET에 대해서 설명해 드리겠습니다.

 

Enhancement mode MOSFET(E-mode MOSFET)

a)에서, 약한 게이트 전압을 인가하면, V(DS)를 가해줘도 채널이 형성되어 있지 않기 때문에 전류가 흐르지 않습니다. 

 

게이트 전압(역방향)을 좀 더 세게 걸어서 문턱 전압 이상의 전압을 걸어주면 어떻게 될까요?

b)에서, 게이트 전압에 의해 반전층이 형성되기 때문에 전류(Drain current)가 흐릅니다. 

 

메모리 소자 등 전자회로에서 전류(drain current)가 존재하면 '1', 존재하지 않으면 '0'으로 판별합니다.

즉, Drain current의 식이 매우 중요하겠죠? Drain current가 클수록 좋은 반도체 소자를 만들 수 있습니다.

 

g(d)는 channel conductance로, drain current를 결정하는 인자입니다.

 

위 그림의 두 개의 식을 통해 알 수 있는 사실을 나열해드리겠습니다.

1. g(d)가 클수록 drain 전류가 커집니다.

2. V(DS)가 클수록 drain 전류가 커집니다. 

3. 이동도, 반전층이 클수록 g(d)가 커져 drain 전류가 커집니다.

4. Gate length가 작을수록 drain 전류가 커집니다.

 

다시, 방금 본 식입니다. I(D)와 V(DS)의 관계는 gd의 기울기를 갖고 선형적인 그래프를 그릴 수 있음을 알 수 있습니다. 

이제부터 매우 중요한 내용이 나옵니다.

위의 이 선형적인 관계를 자세히 설명해드리겠습니다. (선형적인 관계가 아니게 됩니다.)

n-channel enhancement mode MOSFET일 경우입니다, 

E-mode MOSFET ID vs VDS 특성

a) 게이트에 문턱전압보다 큰 역방향 바이어스를 걸어줬을 때, inversion layer가 생겨 channel이 형성되게 됩니다. 

VDS가 증가함에 따라 I(D)가 커집니다. 

 

b) V(DS)가 커짐에 따라 반도체에 reverse bias를 걸어주는 효과와 같게 되어, inversion layer가 점점 줄어들기 시작합니다. 따라서 I(D)의 기울기가 점점 줄어듭니다.

 

c) V(DS)가 너무 커짐에 따라, 반전 전하 밀도가 0이 되어 drain 쪽 채널이 없어지게 됩니다. 

따라서 기울기가 0이 되어 일정해집니다. 이를 포화 영역이라고 하고, 이때의 전압을 포화 전압이라고 합니다. 

 

d) V(DS)가 커짐에 따라 saturation voltage 이상이 되면, 반전 전하 밀도가 0이 되는 지점이 점점 source 쪽으로 이동하면서 줄어들게 됩니다. channel이 열린 부분까지 전자가 잘 이동을 하다가, 막힌 부분에서는 전기장을 통해 이동을 하여 전류가 흐르게 됩니다. 

E-mode MOSFET I(D) vs V(DS) by V(GS)

아래 그림은 V(GS) 값 변화에 따른 I(D), V(DS)의 그래프입니다. 

 

아래 그림은 drain current와 VGS의 관계입니다. 

 

 

Depletion mode MOSFET 

D-mode MOSFET은 앞서 말한 E-mode MOSFET과 거의 똑같은 내용을 가지고 있기에, 간단하게만 설명을 해드리고 마치도록 하겠습니다. 

이미 채널이 형성되어 있어 ID가 일정 값으로 흐르고 있습니다. 

 

V(DS) vs I(D) by V(GS)

 

drain current와 VGS의 관계

트랜지스터 이득

VGS, ID 그래프의 기울기는 전달 컨덕턴스, 트랜지스터 이득이라고 합니다. 

 

이득이 클수록 트랜지스터 작동에 유리합니다.

 

 

이 모든 내용의 마지막 summary입니다.