반도체 기초 Chapter 13 - 1. 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET, MESFET 등) 특징

Chapter 13 - 1. 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET, MESFET 등) 특징

 

전계효과 트랜지스터 (FET)

수직 방향 전계를 형성해서 전도성 채널을 만들고, 수평 방향 전계를 형성해서 전도성 채널의 캐리어를 드리프트 시킨다.

 

전계효과 트랜지스터 (FET)의 종류

- 절연 게이트 전계효과 트랜지스터 (MOSFET)

- 접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET)

- 쇼트키 (접합형) 전계효과 트랜지스터 (MESFET)

- 고이동도 전계효과 트랜지스터 (MODFET 또는 HEMT)

 

전계효과 트랜지스터의 기판을 Si로 사용하면 게이트에 절연성 산화막(SiO2)이 잘 형성된다. 하지만 Si 기판보다 캐리어 이동도가 더 크게 만드려고 할 때는 게이트에 절연성 산화막(SiO2)이 잘 형성되지 않는다. 이런 경우 접합형 전계효과 트랜지스터 또는 쇼트키 (접합형) 전계효과 트랜지스터를 사용한다.

 

 

• 접합형 전계효과 트랜지스터의 구조와 동작

접합형 전계효과 트랜지스터는 게이트와 기판 접합으로 형성된 중성 영역을 전도성 채널로 사용한다. 이 중성 영역은 게이트 전압을 통해 두께(채널의 저항)를 조절한다.

 

접합형 전계효과 트랜지스터는 게이트와 채널의 접합 형태에 따라 다양한 종류가 있다.

- 접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET): 게이트와 채널의 접합에 pn접합 활용

- 쇼트키 (접합형) 전계효과 트랜지스터 (MESFET): 게이트와 채널의 접합에 금속과 반도체의 접합인 쇼트키 접합 활용

- 고이동도 전계효과 트랜지스터 (MODFET 또는 HEMT): 게이트와 채널의 접합에 쇼트키 접합, 도핑층과 채널층의 접합에 이종 접합 활용

 

채널 전류를 형성하는 이동전하의 종류에 따라 n채널과 p채널로 구분한다.

n-JFET: 전자가 이동전하가 되어 드레인 전류가 형성된다.

n-JFET

p-JFET: 정공이 이동전하가 되어 드레인 전류가 형성된다.

p-JFET

 

• 전계 효과 트랜지스터가 선형영역 동작 상태일 때 게이트 전압에 의한 채널 저항 조절

드레인 전압이 작을 때 선형영역 동작 상태가 된다. 게이트 전압에 의해 채널 저항(전기 전도도)이 변화한다.

 

채널 저항을 결정하는 요인

- 채널 영역의 반전 캐리어 농도

- 채널 영역의 두께

 

• 접합형 전계효과 트랜지스터의 채널 저항

접합형 전계효과 트랜지스터에서 게이트 영역은 매우 높게 도핑되어 있고, 채널 영역은 비교적 낮게 도핑되어 있다.

역방향 게이트 전압이 인가되면 채널 부근의 중성 영역이 트랜지스터의 채널 영역이 된다. 그리고 게이트 전압을 통해 채널 두께를 조절할 수 있다.

 

채널 영역의 도핑 농도가 게이트 영역의 도핑 농도보다 낮은 이유

반도체 접합에 의해 형성된 공간전하 영역은 역방향 전압이 인가될 때 도핑 농도가 낮은 부분으로 확장되기 때문이다.

이는 입출력 전달 컨덕턴스 효율을 좋게 한다.

 

 

 

요약

접합형 전계효과 트랜지스터는 게이트와 채널의 접합 형태에 따라 다양한 종류가 있다.

전계 효과 트랜지스터의 선형영역 동작 상태에서는 게이트 전압에 의해 채널 저항이 조절되며 채널 영역의 반전 캐리어 농도와 두께가 채널 저항을 결정한다.

접합형 전계효과 트랜지스터의 채널 저항은 게이트와 채널의 접합에 의해 조절되며 게이트 영역의 높은 도핑 농도는 전달 컨덕턴스 효율을 개선한다.

 

 

 

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참고

MOSFET에서는 얇은 산화막 절연층이 있어 전자 또는 정공이 게이트로 넘어갈 수 없다. 따라서 게이트 누설 전류가 없다. 하지만 JFET 또는 MESFET에서는 게이트 부분에 pn접합(또는 쇼트키 접합)을 이용하기 때문에 게이트 누설 전류가 발생한다. 그리고 이 전류는 순방향 전압에 크게 증가하기 때문에 게이트 누설 전류를 막기 위해서는 역방향 게이트 전압만을 허용해야 한다.