[전자회로] MOSFET(모스펫) / 증가형MOSFET에 대하여 알아보기

안녕하세요 대학원 석사 1년차 은교입니다 :)

취업을 했다가 다시 공부가 더 하고싶어 대학원에 진학을 하게 되었습니다.

다시 차근차근 공부하면서 정리하는 내용을 공유하며 가치를 더하고 싶어 블로그를 만들게 되었어요

공부중인 학생이니 틀린부분이 있다면 알려주시면 감사하겠습니다^_^

 

 

---

 

 

자 오늘은 요즘 제가 아주 열심히 공부중인 MOSFET에 대해서 한번 정리해보려고 합니다!!!

인간이 만든 생산품 중 가장 많이 팔린다는 요 제품!!! 제대로 공부해서 혼내주도록 하겠습니다ㅎ_ㅎ

 

MOSFET은 게이트에 인가되는 전압에 의해 드레인 전류가 제어되는 소자로 

전기로 동작하는 '스위치'또는 '증폭기'라고 생각하시면 되는데 현대의 직접회로를 기반으로 한 전자제품의 구성에는 MOSFET이 없어서는 안될 필수적인 기본 소자입니다.

지금 사용하는 스마트폰, 컴퓨터, 가전제품 등 이 소자를 사용하지 않는 제품은 찾기 어려울 정도!!

그리고 다른 반도체 소자들에 비해 MOSFET은 집적도가 매우 높고 효율도 비교적 좋아 널리 사용되고 있죠. 

https://eunkyovely.tistory.com/5

[전자회로] 커패시터와 커패시턴스

MOSFET의 기본원리는 커패시터입니다.

지난번에 정리했던 커패시터의 원리를 잘 알면 MOSFET을 매우 쉽게 이해하실 수 있으실거예요!

 

 

게이트 단자가 실리콘 산화막에 의해 채널영역과 분리되어 있어 금속산화물반도체 FET라고도 합니다

 

 

MOSFET의 트랜지스터 3개 단자로는 게이트(Gate), 소오스(Source), 드레인(Drain)이 있는데요.

게이트는 소오스와 드레인 사이의 전류흐름을 제어하는 역할을 하고

소오스는 전류를 운반하는 캐리어를 공급하고

드레인은 소오스에서 공급된 캐리어가 채널영역을 지나 소자 밖으로 방출되는 단자라고 생각하시면 될 것 같아요!

 

 

그 중 가장 중요한 역할을 하는 Gate!

이 Gate는 Source와 Drain사이에 채널(Channel)이란 다리를 놓는 역할을 합니다

이 다리는 자기가 좋아하는 캐리어만 통과를 시키는데요.

트랜지스터 각 단자의 도핑 물질이나 외부에서 인가하는 전압 극성도

어떤 채널을 선택하느냐에 따라서 모두 바뀌게 되는 묘한 성격을 지니고 있습니다.

 

소수캐리어가 모여서 연결한 채널은 다수캐리어가 Source에서 Drain으로 이동하는 다리가 되고

기판과 소오스/드레인의 도핑 형태에 따라 N채널 또는 P채널로 구분되는데

전자모임을 N type 정공모임을 P type 이라고 합니다.

예를 들어서 전자가 넘어갈 다리를 n-Channel이라고 하고

정공이 넘어갈 다리를 p_Channel이라고 한다는 것!

 

 

 

 

그리고 MOSFET은 채널 제작방법에 따라 증가형(enhancement-type) MOSFET와

공핍형(depletion-type) MOSFET으로 구분됩니다

 

저는 증가형 MOSFET의 개략적인 동작원리를 살펴보려고 하는데

N채널 MOSFET과 P채널 MOSPET는 전류와 전압의 극성이 반대되는 것을 제외하면

똑같이 해석이 가능하기 때문에 기본적인 N채널로 알아볼게요!

 

MOSFET의 동작에 있어서 중요한 점은

전류가 소오스와 드레인 사이의 채널영역을 통해서만 흐르며

소오스 또는 드레인에서 기판 쪽으로는 흐르지 않아야 한다는 것입니다.

 

따라서 소오스 드레인과 기판의 PN접합은 항상 역방향 바이어스 상태가 되어야 하며

이를 위해서는 N채널 MOSFET의 P형 기판에는 0V 또는 음(-)의 전압이 인가되도록 해야합니다.

 

N채널 증가형 MOSFET구조에서 소오스와 채널 그리고 채널과 드레인 사이에는 PN접합이 형성되어 있고

소오스, 드레인과 기판의 PN접합은 항상 역방향 바이어스 상태가 되어야 하므로

소오스와 드레인 사이에는 전류가 흐를 수 없습니다.

 

따라서 전류가 흐르도록 하기 위해서는 채널영역에 전자를 모아서 소오스와 드레인이 연결되도록 하고

게이트 전극에 양(+)의 전압 \(V_{GS}\)를 인가하면 게이트 산화막 아래의 채널영역에

전자들이 모여 N형 반전층(inversion layer)이 형성되며 이 상태를 채널이 형성되었다고 말합니다.

 

이렇게 채널이 형성된 상태에서 드레인에 양(+)의 전압 \(V_{DS}\)가 인가되면

소오스와 드레인 사이에는 전류가 흐르게 되는거죠!!!

 

자 자 여기까지 이해가 되셨다면 채널이 형성되는 원리를 좀 더 살펴보겠습니다

게이트에 인가된 양(+)의 전압에 의해서 기판의 다수 캐리어인 정공은

기판의 아래 쪽으로 밀려나고 이에 의해서 공핍영역이 형성됩니다.

기판과 소오스, 드레인의 PN접합은 역방향 바이어스 상태이기때문에

위 그림과 같이 소오스, 드레인 그리고 채널영역 주변에 공핍영역이 만들어지게 됩니다.

 

게이트에 인가되는 전압의 크기에 따라 채널영역에 모이는 전자의 수가 달라지므로 '증가형' MOSFET이라 하고

결과적으로 증가형 MOSFET은 게이트 전압에 의해 드레인 전류가 제어되는 소자라고 할 수 있어요.

이 때 증가형 MOSFET에서 채널을 형성하기 위해 필요한 최소 게이트 전압을 문턱전압(threshold voltage)라고 합니다.

 

 

N채널 증가형MOSFET 문턱전압 \(V_{Tn}\) > 0

P채널 증가형 MOSFET 문턱전압 \(V_{Tp}\) < 0

 

 

우선 오늘은 기본적인 MOSFET의 개념과 증가형 MOSFET에 대해서 정리해보았습니다

다음 포스팅에서는 공핍형(depletion) MOSFET의 구조와 동작에 대해서 공부해볼게요 :)

 

 

 

제가 공부하고 있는 공대 대학원생 브이로그도 보러와주세요 :)

youtu.be/3vdR_2S7skA

 

 

https://www.youtube.com/channel/UCGyL8n-i8RlJixVn__c-6kw

은교TV Eunkyo