전의 JFET에 이어 이번에는 MOSFET에 대해 정리해볼까 합니다.
앞의 JFET와 MOSFET가 같은 FET인데 왜 종류를 나눠놓고 서로 구분할까요?
가장 큰 이유로는 Gate와 Channel 사이에 절연체인 Oxide(산화물)이 사용된다는 점이 가장 틀립니다.
MOSFET의 구조에서도 보시면..
위와 같이 Metal -> Oxide -> Semiconductor 구조로 되어있지요?
여기서 Oxide라는 것이 있어서 실제 Gate에 전압을 걸어주긴 하지만 전류가 소자내로 들어가지 않습니다.
왜냐하면 Oxide가 절연체이니까요!
그렇다면 Gate가 신호의 입력이 되니까.. Gate 전류가 소자에 흐르지 않는다는 것은 그만큼 입력 임피던스가 높다는 것이구요..
또한 그만큼의 전류소모가 적어지니까 저전력 회로에 적합하게 되겠네요~
그래서 저전련 회로에 MOSFET가 많이 사용되고.. 요즘과 같이 저전력이 각광받는 시대에 BJT나 JFET보다 각광받게 된거죠~
그럼 MOSFET의 회로 기호를 살펴볼까요?
MOSFET는 위와 같이 4가지 형태로 구별 할 수 있습니다.
일단 N채널, P채널로 구분된다는 것은 잘 아실 것이라 생각이 들구요..
또한 각 채널 Type에서 Depletion type(공핍형)과 Enhancement type(증가형)으로 구분할 수 있습니다.
회로 기호에서만 봐도 알 수 있듯이 P형과 N형은 화살표 방향으로 구분하구요..
공핍형과 증가형은 중간의 선이 끊어졌느냐.. 아니면 붙어있느냐로 구별이 가능하지요~
근데 이 선이 끊어졌느냐.. 붙어있느냐.. 이것만으로도 공핍형과 증가형의 MOSFET를 구별하는데 가장 적합한 것이 아닐까 생각
합니다.! 그 이유는 차차 알게 될것이어요~
일단 공핍형 MOSFET에 대해 알아보아용~
Depletion type MOSFET의 기본적인 구조와 동작은 위의 그림과 같습니다. 일단 구조는 N채널 타입이에요~
본래 공핍형 MOSFET는요 Vgs=0일 때에도 드레인 전류 Id가 0이 아닙니다. 즉, 드레인 전류가 흐르게 되어있어요~
왜냐하면 본래 만들때부터 전자가 지나갈 수 있는 채널(JFET에서 캐리어가 이동하는 경로를 채널이라고 했지요)이 형성되어 있기 때문입니다.
하지만 여기에 위의 그림에서 왼쪽과 같이 Gate - Source 사이에 역전압을 걸어주게 되면..
게이트는 -극성을 띄는 음전하가 쌓이게 되구요..(Oxide 때문에 소자 안으로 들어갈 수는 없어요!!)
이 음전하에 의해 P형의 Substrate의 정공들이 게이트쪽으로 끌려올꺼에요~서로 다른 극성끼리의 전하는 인력이 작용하니까요~
그렇게 되면 P형의 영역이 확장되어 중간의 N채널 영역을 점차적으로 줄어들게 하고..
끝내는 완전히 막아버릴 때가 있겠네요.. 그렇게 되면.. 채널이 없어진거니까 드레인 전류는 더이상 흐를 수 없게 되겠네요..
하지만 오른쪽그림과 같이 반대로 게이트에 +전압을 걸어주게 되면..
P형의 정공들이 척력에 의해 밀려나게 되니까 N채널을 더욱 확장되고.. 그로 인해 전자의 이동이 쉬워지니까 드레인 전류가 증가하겠네요~
근데 생각해 보면 우리가 보통 사용할 때에는 Gate를 통해 드레인과 소스 사이의 전류를 흘려주거나 차단하는 용도로 사용할 때가 많을테지요..
그렇게 되면 Deplation 타입의 MOSFET은 Vgs=0일 때에도 드레인 전류가 흐를수 있으니까 반대로 차단하는 것에 중점을 두어 설계를 하면 되겠네요.. 그래서 게이트에 역전압을 걸어줄 수 있도록 설계해야 제대로 써먹겠죠
그럼 게이트의 용도는 채널의 폭을 줄이는 용도로 사용하는 것이니까...
댐과 비교하자면 수문이 게이트가 되고.. 물이 전자라고 보면 되겠네요.. 즉, 수문을 점차 닫을 때마다 흘러나가는 물(전자)가 줄어들게 된다 이겁니다요~
.jpg "D-MOSFET(I-V).jpg")
이와 같은 공핍형 MOSFET의 특성으로 인해 위와 같은 I-V 곡선이 그려지게 되구요.. JFET일 때와 마찬가지로 어느 이상이 되면 Id가 더이상 증가하지 못하고 Saturation 영역으로 들어가 버리게 됩니다요~ 포화 상태로 가는 이유는 JFET와 똑같습니다!!
그럼 Enhancement type의 MOSFET에 대해 계속 살펴보아요~
스크롤의 압박이 좀 심하네요.. 하지만 자세히 그릴려다 보니 그렇게 되었습니다;;
증가형 MOSFET는 공핍형 MOSFET와는 다르게 Vgs=0이면 채널이 형성되지 않아서 드레인 전류 Id=0입니다.
즉, 공핍형과 틀리게 게이트에 전압을 걸어주지 않으면 채널이 형성되어 있지 않아서 캐리어가 이동할 수 없어서 전류가 못흘려욧!
동작은 공핍형과 뭐 비슷한 원리라고 할 수 있습니다.
게이트에 +전압을 위의 그림 2와 같이 걸어주게 되면 P형 substrate의 정공이 게이트쪽에서만 밀리게 되고...
그렇게생긴 공간으로 소스와 드레인 영역의 전자들이 휙휙~하고 지나다닐 수 있게 되는 것이죠~ 물론 이 공간은 전자의 이동통로
니까 N채널이 되겠구요.. 특성상 P-Substrate와 반대로 되었다 해서 Invertion Layer(반전층)이라고도 해요~
하지만 이 채널이 형성되기 전까지는 전류가 흐르지 못합니다. 다시 말해서 게이트에 채널이 형성될 정도로의 전압을 걸어주어야 한다는 의미인데요.. 마치 다이오드에서 0.6~0.7V 정도의 전압에서부터 전류가 급격히 증가하는 것과 비슷한 원리이죠~
이렇게 채널이 형성되어 전류가 급격히 증가하는 시점의 게이트 전압을 Threshold Volatege라고 해서 문턱 전압이라고 합니다요~
그렇기 때문에 증가형 MOSFET에서는 이 문턱전압이 굉장히 중요한 요소가 되니까 잘 기억해 주셔야 합니다.
위의 그림에서 그림3,4번의 채널모양을 잘보면 한쪽으로 쏠려있는 것을 볼 수 있죠?
우리가 JFET에서 드레인쪽에 +전압이 걸리니까 공핍층이 한쪽으로 쏠리는 모양이 된다고 했던 것처럼..
MOSFET에서도 Vds가 커질수록 드레인쪽의 공핍층이 소스쪽의 공핍층에 비해서 더욱 많이 발달하는 것이죠~
어? 그런데 그렇게 되니까 나중에는 드레인쪽 채널이 너무 좁아지고.. 마침내 채널이 사라지게 되는 현상이 발생하네요..
하지만~~~~~~ 우리가 JFET에서 정리한 것과 같이 드레인 전류가 줄어들거나 증가하지 않아요~
역시 드레인과 소스 사이에는 전계의 힘이 있기 때문이지요~ 다만 JFET에서와 같이 Saturation 영역으로 들어가 버립니다.
아래 그래프를 한번 보시죠~
즉, 위와같이 일정 이상의 Vds에서는 드레인전류가 더이상 증가하지 않고 Saturation이 된다 이거죠~!
또한 위의 그래프는 공핍형 MOSFET와는 다르게 모두 +전압이고... 또한 아까 말했듯이 문턱전압이 있다는거 알아두세욧!
