[트랜지스터의 특성] 장 효과 트랜지스터

JFET 에도 n-채널 JFET 와 p-채널 JFET가 있다.

n-채널 JFET에서는 n형 기판을 이용한다. 양단에 전극을 연결하여 드레인과 소스로 만든다. 그리고 양 측면에는 p형을 도핑하고 전극을 만들어 게이트로 사용한다.

(반면에 p-채널 JFET에서는 p형 기판을 사용한다.)

위 그림은 n-채널 JFET의 구조와 V_GS = 0 에서 V_DS에 따른 I_D의 변화를 보여준다. (세 그림 모두 V_GS = 0)

V_DS가 증가하면 드레인 쪽의 전압이 커지는 것이므로 드레인 쪽의 공간전하영역이 넓어지게 되고, n-채널이 좁아진다. 이에 따라 드레인 전류 I_D는 감소하게 된다.

그리고 V_DS가 어떤 값 V_P에 도달하면 게이트인 두 p영역의 공간전하영역이 마주치게 된다. 이를 핀치오프(pinch-off) 상태라고 하고, V_P를 핀치오프 전압이라고 부른다.

핀치오프 상태가 되면 V_DS가 변화해도 드레인 전류 I_D는 일정하게 된다.

핀치오프가 되더라도 실제로는 아주 좁은 채널이 존재하고 전류밀도가 상당히 커서 드레인 전류는 일정하게 유지하게 된다.

V_GS < 0 인 경우에는 V_DS가 작은 값에서 공간전하영역이 좁아지는 현상이 일어난다.

즉, 핀치오프가 낮은 V_DS에서 발생한다. 또한 I_D 의 포화값도 감소한다. V_GS가 마이너스 값으로 점점 커짐에 따라 포화 드렝니 전류도 계속 줄어든다.

V_GS = - V_P 이면 드레인 포화전류가 0 이 되어 JFET는 끊긴(turn-off) 상태가 된다.

양극 접합트랜지스터에서는 출력전류 I_C는 입력제어 전류 I_B와 비례 관계를 가지고 있었다. 이 관계식은 직전적인 관계를 주고 있다.

JFET에서 포화영역에서의 출력전류 I_D와 입력전압 V_GS의 관계는 아래와 같이 표현된다.

여기서 I_DSS는 V_GS = 0 일 때의 드레인 전류를 나타낸다. 이 식은 양극 접합트랜지스터의 직선적인 관계가 아니라 JFET에서는 제곱에 비례하는 관계임을 알 수 있다.

이 그림은 평면(planar) 구조의 n-채널 JFET에서 V_DS가 증가함에 따라(게이트 전류는 0) n-채널이 닫히는 것을 보여준다.

CMOS는 논리회로에 광범위하게 사용되고 있다. CMOS의 최대의 장점은 전류가 거의 필요가 없기 때문에 소비전력이 적다는 것이다.

이 그림은 CMOS의 구조를 보여주고 있다.

CMOS는 n-채널 MOSFET(NMOS 라고 부름)과 p-채널 MOSFET(PMOS 라고 부름) 등, 두 개의 MOSFET 으로 구성되어 있다.

여기서 두 MOSFET은 모두 증가형 MOSFET이다.

NMOS의 소스는 접지되어 있다. 그리고 PMOS의 소스에는 +V_D가 연결되어 있다.

두 MOSFET의 게이트는 서로 연결하여 입력으로 사용하고, 두 MOSFET의 드레인도 서로 연결하여 출력으로 사용한다.

CMOS의 인버터(inverter)로의 작용을 알아보자.

MOSFET이 off 상태에서는 채널이 없어서 저항이 무한대가 되므로 전류가 흐르지 못한다. 반면에 on 상태에서는 채널의 저항이 약 200Ω 으로 전류가 흐를 수 있다.

- 입력(input)이 접지인 경우 (논리 0)

NMOS는 n-채널이 형성되지 못한다. 증가형 MOSFET에서 게이트 전압이 없으므로 p형 기판의 전자들을 끌어오지 못하여 n-채널을 형성할 수 없다.

따라서 NMOS는 전류가 흐르지 못하는 open상태가 되므로, 이에 따라 출력은 NMOS를 통해 접지와 연결되지 못한다.

반면에 PMOS에서는 p-채널이 형성되므로 +V_D는 PMOS를 통해 출력과 연결된다.

이에 따라 출력은 +V_D가 되어 논리 1의 상태가 된다. 따라서 입력 0의 논리가 논리 1의 출력을 주는 인버터의 역할을 함을 볼 수 있다.

- 입력(input)이 +V_D인 경우 (논리 1)

이 경우 위와 반대로 PMOS가 off 상태가 되고 NMOS는 on 상태가 된다.

따라서 +V_D는 PMOS를 통해 출력과 연결되지 못한다.

반면에 출력은 NMOS를 통해 접지와 연결된다.

이에 따라 출력은 접지와 동일하게 되므로 논리 0의 상태가 된다. 따라서 논리 1의 입력이 논리 0의 출력이 됨을 알 수 있다.

이렇게 CMOS는 인버터로서 논리회로에서 광범위하게 사용되고 있다.

~~cmos 생산에 기여한 적은 없고 이래저래 협업하면서 많이 들어보기만 했었는데.. 이런거였구나~~

'과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초' 책을 공부하여 작성 하였습니다.