[트랜지스터의 특성] 장 효과 트랜지스터 - MOSFET

 

 

 

장 효과 트랜지스터 (Field Effect Transistor) [FET]

 

 

 

장 효과 트랜지스터도 양극 접합트랜지스터와 동일하게 3단자 소자이다. 

드레인(Drain), 소스(Source), 게이트(Gate) 등 세 개의 단자로 구성되어 있다. 

 

- 앞에서 보았듯이 양극 접합트랜지스터는 전류제어소자였다.(current controlled device)

즉, 출력인 콜렉터 전류가 입력이 베이스 전류의 함수로 표시된다.

 

반면에 FET는 전압제어소자에 속한다.(voltage controlled device) 즉, 출력인 드레인 전류가 게이트 전압의 함수로 표현된다.

 

- 양극접합 트랜지스터는 npn & pnp 두 가지의 형태가 가능했다. 마찬가지로 FET도 n-채널과 p-채널의 형태가 가능하다.

 

- 그리고 전류를 형성하는 캐리어에 있어서 양극 접합트랜지스터는 전자와 정공이 모두 전류 형성에 관련이 있다. 물론 각 캐리어는 다수캐리어와 소수 캐리어로서 역할이 다르다.

 

반면에 FET에서는 전자이면 전자, 정공이면 정공 하나의 캐리어만이 전류의 형성에 관련되어 있다는 것이 양극 접합트랜지스터의 경우와 다르다. n-채널 FET에서는 전자만이 전류의 형성에 관련되어 있고, p-채널 FET에서는 정공만이 전류의 형성에 관련되어있다.

 

따라서 접합트랜지스터는 양극(bipolar) 트랜지스터라고 부르고, FET는 단극(unipolar) 트랜지스터라고 부르기도 한다.

 

 

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FET에서는 전압에 의해 전기장(field)이 형성되고, 이 전기장의 효과(effect)에 의해 캐리어의 통로(channel)가 제어된다. 이 때 전압을 제어하는 전극과 통로는 서로 직접적인 접촉은 없다.

 

이에 따라 FET라는 이름으로 불리게 되었다.

 

FET는 높은 입력 임피던스를 가지고 있다. 거의 수백MΩ 정도이다. 따라서 마이크 등 아주 작은 신호에 대한 증폭에 사용된다.

 

반면에 접합트랜지스터는 동일한 입력 신호의 변화에 대해 FET에서보다 훨씬 큰 출력 변화를 얻을 수 있다. 그래서 교류 전압 증폭률이 접합트랜지스터가 FET보다 훨씬 크다.

그러나 FET는 온도 변화에 대해 그 특성이 안정적이고, 크기도 작아서 집적화(IC)에 적합하다.

 

 

FET는 크게 두 종류로 나누어진다.

 

 

접합(junction) FET : JFET

MOSFET : Metal oxide semiconductor FET)

 

 

그리고 MOSFET에서는 공핍형(depletion)과 증가형(enhancement) 등 두 종류의 형태가 있을 수 있다.

 

 

 

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MOSFET

 

 

 

출처 - 과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초

 

 

p형 기판에 형성된 MOSFET의 구조이다.  n형으로 도핑된 부분에 전극을 만든것이 각각 소스와 드레인이다. 그리고 게이트와 n-채널 사이에는 산화막(SiO2, 500Å 이하)이 존재한다.

게이트의 전압에 의해 유전체(산화막) 안에 전기장이 형성되어 그 아래 부분이 n-채널이 만들어진다. 

 

그림(a)는 처음에 채널이 형성되어 있지 않은 증가형(enhancement) MOSFET를 나타내고, 오른쪽은 채널이 형성되어 있는 공핍형(depletion) MOSFET의 구조를 보여 주고 있다. 

 

MOSFET은 부도체층(산화막)에 의해 아주 높은 입력 임피던스를 가진다. 따라서 dc 바이어스에서 게이트 전류는 0 이 된다.

 

 

 

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출처 - 과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초

 

 

 

위 그림은 n-채널 증가형 MOSFET에서 게이트 전압에 따른 채널의 변화를 보여주고 있다. 

 

 

게이트에 전압을 걸지 않은 상태, V_GS = 0인 상태에서는 드레인과 소스 사이의 전압 V_DS를 변화시키더라도 n-채널이 없기 때문에 전류가 형성되지 않는다. 즉, 드레인 전류 I_D = 0 인 것이다. 

 

그러나 V_GS > 0 인 전압을 게이트에 걸어주게 되면 게이트의 + 전압에 의해 산화막 아래쪽으로 p형 기판의 전자가 끌려오고, 또한 정공들은 밀려나간다. 이에 따라 정공과 전자들이 재결합함으로써 낮은 전압에서는 산화막 아래쪽에는 공간전하영역이 형성된다. 

 

그러나 어느정도 이상의 큰 전압이 걸리게 되면 이 영역에 전자의 밀도가 정공의 밀도보다 커지게 됨으로써 n-채널이 형성된다. 이 때의 게이트 전압을 문턱전압(threshold voltage) V_T 라고 부른다. 

 

그리고 산화막 아래에 전자의 밀도가 정공의 밀도보다 커지는 현상을 역전(inversion) 이라고 부른다.

 

V_T가 적당히 낮은 값을 가지기 위해서(n-채널을 쉽게 형성하기 위해서)는 p형 기판이 약하게 도핑되어야 한다.

 

 

V_GS > V_T 인 상태에서 V_DS를 증가시키면

드레인 쪽이 소스 쪽보다 전압이 높기 때문에 드레인 쪽의 공간전하영역이 넓어지게 된다. 이에 따라 드레인 쪽의 n-채널이 점점 좁아지게 되고, V_DS = V_P 가 되는 전압에서 n-채널이 드레인 끝에서 잘리게 된다.

 

이 현상을 핀치오프(쪼임, pinch-off)라고 부른다. 그리고 V_P를 핀치오프 전압이라고 한다. 

 

게이트 전압이 핀치오프 전압 이상이 되어 n-채널이 잘려도 일정한 전류가 계속 흐른다. 이는 양극 접합트랜지스터에서 베이스-콜렉터가 역바이어스임에도 불구하고 전류가 흐른 것과 같다. 

 

또한 핀치오프에서 I_D = 0 이라고 한다면 V_DS 도 0이 되어야 한다. 이것은 V_DS ≠ 0 인 사실과 모순되므로 I_D 가 0이 아니어야 함을 알 수 있다. 결국 핀치오프가 되어도 I_D는 0이 아니다. 

 

 

 

 

 

 

 

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