이번 포스팅에서는 MOSFET의 적용분야에 대해 알아보도록 하겠습니다.
MOSFET의 동작 범위를 이해하기 위해서는 MOS 구조와 MOSFET의 차이점을 이해할 필요가 있습니다.
먼저 MOS 커패시터의 기본 동작을 살펴봅니다.
게이트 전압에 의해 수직 전계가 형성되고 표면 부근에 축적된 반전 전하가 반전 모드로 전환된다.
이때, MOS 커패시터의 동작 모드는 게이트 전압이 문턱 전압을 초과하는지 또는 초과하지 않는지에 따라 크게 좌우된다.
두 가지 방법으로 결정됩니다.
$V_{G}$ < $V_{T}$ : 반전되지 않음
$V_{G}$ > $V_{T}$ : 반전
MOSFET용
MOS 커패시터와 가장 큰 차이점 중 하나는 소스 영역과 드레인 영역이 있다는 것입니다.
이 두 영역 사이의 전압차에 의해 수평 전계가 형성되었습니다.
둘째, 소스와 드레인 사이의 전압차로 인해 전류가 흐른다.
이때 저항 강하로 인해 채널에 전압 강하가 발생합니다.
그라운드에서 $V_{D}$까지의 거리(0V에서 $V_{D}$)에 따라 기하급수적으로 분포하는 채널의 전압 분포가 나타납니다.
이 점도 MOS 캐패시터와의 큰 차이점 중 하나가 됩니다.
이 채널의 응력 분포로 인해
MOS 커패시터와 MOSFET의 동작 모드 사이의 차이는 현저하다.
MOS 커패시터의 경우 Vgb 양단의 전압 차이는 Si 표면 근처에서 일정합니다.
표면의 전체 영역은 동일한 반전 모드에 있을 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다.
그러나 MOSFET의 경우
채널링은 위치에 따라 달라지는 수직 방향의 전압 차이로 인해 다를 수 있습니다.
어떤 부분에서는 게이트와 채널의 전압차가 $V_{T}$를 넘지 않아 반전 모드가 아닌 공핍 모드나 축적 모드가 되어 채널이 형성되지 않는다.
예를 들어 오른쪽 MOSFET 그림의 문턱전압이 2.5V라면,
소스 근처와 채널 중간에 반전 채널이 형성되지만 드레인 근처에는 채널이 형성되지 않는 상황이 발생합니다.
게이트 전압뿐만 아니라 드레인 전압에 의한 채널 전위 분포의 영향으로 인해
MOS 캐패시터와 작동 모드가 다릅니다.
MOSFET 작동 모드( $V_{D}$-$I_{D}$ 출력 특성 )
1. 선형 영역
게이트 전압이 문턱 전압을 초과한 후 어느 지점에서 채널이 형성됨
Vds가 적용된 경우를 살펴보자. (이 시점에서 게이트 전압은 항상 일정하다고 가정합니다.
)
모든 부분에 채널(반전층)이 형성된 후 $V_{D}$가 증가하면 $I_{D}$가 선형 비례적으로 증가하는 구간이 있다.
이를 선형 범위라고 합니다.
2. 핀치 오프 조건
Vd에 전압을 가하면 $V_{GD}$가 작아지므로 드레인측 채널이 점차 좁아진다.
채널이 좁아짐에 따라 선형적으로 증가하는 전류는 점차 감소합니다.
$V_{D}$는 $V_{G}$-$V_{D}$=$V_{T}$가 반전 채널이 형성되는 지점에 도달할 때까지 계속 증가합니다.
드레인 인터페이스에서 반전 채널이 형성되기 시작하는 지점을 핀치 오프 조건이라고 합니다.
$V_{D}$가 선형 영역을 넘어 핀치 오프 지점까지 증가함에 따라 드레인 전류 램프 업이 감소한 다음 채널이 갑자기 클리핑됩니다.
3. 포화 영역
$V_{D}$를 계속 적용하는 동안 핀치 포인트를 넘어 채널이 절단됨
채널이 드레인 영역 근처에서 공핍 모드에 들어가면 모든 부분에서 채널이 형성되지 않습니다.
이때 $V_{D}$가 증가하더라도 $I_{D}$는 변하지 않고 일정하게 유지된다.
전류의 크기는 $V_{G}$에 의해 결정됩니다.
이 점을 포화점이라고 합니다.
이 시점에서 채널 형성이 중단되면 몇 가지 질문이 발생합니다.
1. 포화영역에서 공핍모드로 채널을 분리해도 전류가 흐르나요?
형성된 공핍영역(분리된 부분의 양단)에 대부분의 전압이 인가되며, 이때 양단 사이에 강한 전계가 형성된다.
소스에서 드레인으로 흐르는 전자는 강한 전기장에 의해 교차되고 전류는 꾸준히 흐릅니다.
2. $V_{D}$가 증가하더라도 $I_{D}$는 일정하게 유지됩니까?
$V_{D}$에 의해 채널이 차단되어 생성된 전기장은 전자의 이동에만 관여합니다.
통과할 전자의 양은 이미 게이트 전압에 의해 결정됩니다.
따라서 채널을 흐르는 전자의 양은 $V_{G}$에 의해 결정되므로 $V_{D}$가 증가하더라도 드레인 전류는 일정하게 흐른다.
따라서 $V_{D}$-$I_{D}$의 출력 특성곡선을 보면
포화 영역에서 일정한 흐름을 볼 수 있습니다.
$V_{G}$ – $V_{D}$ 관계
그러나 MOS 커패시터는 게이트 전압으로만 작동 범위를 제어합니다.
MOSFET의 경우 게이트 전압뿐만 아니라 드레인 전압도 이에 기여합니다.
$V_{G}$ 및 $V_{D}$는 작업 영역을 동시에 제어합니다.
따라서 두 전압 사이의 관계가 나타나 아래 그래프로 요약할 수 있습니다.
저자: 손동희 // 수정 및 검토: 이현우, 김현수