MOSFET
그림은 증가형 n-채널 MOSFET의 전류-전압 특성을 나타낸다.
왼쪽 그림을 보면 게이트 전압이 V_T(이 경우 2V) 이하에서는 I_D = 0 임을 알 수 있다. 그리고 V_GS(게이트전압) > V_T 인 경우에는 I_D는 V_GS에 따라 증가한다.
오른쪽 그림은 V_GS > V_T 인 여러 게이트 전압 값에 대해 V_DS에 의한 I_D의 변화를 보여주고 있다. V_DS < V_P 인 경우 I_D가 V_DS에 비례하여 증가한다.
이 영역을 Ohm 영역(Ohm region) 이라고 부른다. 이 영역에서의 저항은 기울기로 주어진다.
반면에 V_DS > V_P 가 되면 V_DS는 증가하더라도 I_D는 일정하게 된다. 이 영역을 포화영역(saturation region) 이라고 부른다. 포화영역에서는 저항이 무한대가 된다.
이에 따라 이 상태에서 V_DS의 증가는 공간전하영역의 전압만 증가시키므로 전류 I_D는 일정하게 된다.
Ohm 영역에서 만족되는 I_D와 V_DS의 관계를 구해보자.
위의 그림은 핀치오프에서 n-채널 부근의 모습이다.
- V_GS > V_T 이고 V_DS = 0 인 경우를 생각해보자.
소스에서 임의의 거리 x에 있는 n-채널에서의 단위길이당 전하는 아래와 같이 주어진다.
여기서 W는 게이트의 폭이다. 그리고 산화막의 비유전율은 3.9 의 값을 가진다.
- 다음에 드레인-소스 전압 V_DS를 증가시킨다고 하자. 이에 따라 x 위치에 전압 V(x)가 걸린다고 하면 위의 단위길이당 전하 식은 아래와 같이 쓸 수 있다.
단위 길이당 전하 식을 이용하여 전하밀도를 구할 수 있다.
여기서 μ는 전자의 이동도 이고, A는 n-채널의 단면적이다.
또 전하밀도를 이용하여 드레인 전류를 알 수 있다.
이 식을 n-채널을따라 x = 0 부터 x = L 까지 적분하면 드레인 전류는 아래와 같이 주어진다.
핀치오프의 시작은 위의 핀치오프 그림에서와 같이 n-채널의 끝이 드레인과 만나는 경우이다.
이때 x=L 에서 V(L) = V_DS 이고, 이곳에서 전압은 V_GS - V_T - V(x) = 0 이므로 V_DS = V_GS - V_T 임을 알 수 있다.
즉 위에서 적분한 드레인 전류 식은 V_DS ≤ V_GS - V_T 인 경우에서 V_DS에 따른 I_D(드레인 전류)의 표현이다.
그리고 Ohm 영역과 포화영역의 경계조건은 V_DS = V_GS - V_T 으로 나타난다.
이에 따라 포화영역의 드레인 전류 I_D,sat 는 아래와 같이 표현된다.
공핍형 n-채널 MOSFET에 대해 알아보자
공핍형 MOSFET에서는 그림에 나와있듯이 n-채널이 이미 형성되어 있다.
따라서 게이트 전압이 0인 경우에도 n-채널이 존재하기 때문에 V_DS에 의해 드레인 전류 I_D가 형성된다.
그리고 게이트에 마이너스 전압을 걸어주면 n-채널에 있는 전자들이 p형 기판 쪽으로 밀리고, 대신에 정공들이 n-채널 쪽으로 끌어당겨진다.
이에 따라 전자와 정공들이 재결합하여 n-채널에 존재하는 전자밀도가 줄어들어 n-채널이 좁아진다.
따라서 V_GS(게이트 전압)가 마이너스 값으로 점점 커짐에 따라 드레인 포화전류 I_D도 점점 줄어들게 된다. 그리고 V_GS가 임계전압(cut-off 전압, V_P)이 되면 n-채널이 없어져서 드레인 전류 I_D도 없어진다.
그림에 공핍형 n-채널 MOSFET의 전류-전압 특성이 주어져 있다. 여기서 임계전압은 -5V 이다.
공핍형 MOSFET은 증가형으로도 사용이 가능하다.
즉, 게이트의 전압을 플러스( + ) 로 걸어주면 p형 기판에서의 저나들이 n-채널 쪽으로 끌어당겨짐으로써 n-채널이 넓어진다. 이에 따라 드레인 전류 I_D도 증가한다.
위 그림에서 V_GS = ± 1V 인 곡선이 이에 해당된다.
지금까지 n-채널 MOSFET에 대해서 알아보았는데, p-채널 MOSFET도 가능하다. 이것은 n형 기판을 사용하여 만들 수 있다.
드레인과 소스는 p형으로 도핑된 부분에 전극을 만든다. n-채널 MOSFET 에서는 전자들이 이동할 수 있는 n-채널이 형성되는데 반하여, p-채널 MOSFET에서는 정공이 흐를 수 있는 p-채널이 형성된다.
나머지 특성은 n-채널과 동일하다.
아래 그림은 가능한 MOSFET의 구조와 전류-전압 특성이다.
'과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초' 책을 공부하여 작성 하였습니다.
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