반도체 기초 Chapter 13 - 3. 접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET, MESFET 등) 채널길이 변조현상

Chapter 13 - 3. 접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET, MESFET 등) 채널길이 변조현상

 

접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET, MESFET 등)의 전달 컨덕턴스가 좋은 경우

- 높은 채널 전하의 이동도

- 두꺼운 채널

- 큰 게이트 폭 / 길이

- 짧은 게이트 길이

 

하지만 게이트 길이가 너무 짧아지면 짧은 채널효과가 나타나서 소자 특성에 큰 영향을 미친다.

 

 

• 포화영역 상태에서의 채널길이 변조현상

포화영역 상태에서의 채널길이 변조현상

조건 1) 접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET, MESFET 등)의 채널길이 짧음

조건 2) 드레인 전압 > 포화전압

위 두 조건을 만족할 때 중성영역 채널 길이가 짧아지고, 포화영역 상태임에도 불구하고 드레인 전압이 증가할수록 드레인 전류가 증가한다.

 

채널길이 변조현상은 전달 컨덕턴스를 낮춘다. 따라서 이상적인 전계효과 트랜지스터를 제조할 때 이 현상을 고려해야 한다.

 

전달 컨덕턴스

트랜지스터가 아날로그 증폭기로 사용될 때 나타내는 최대 전압 증폭률

 

전달 컨덕턴스에 영향을 미치는 특성지표

- 채널 영역의 캐리어 농도

- 채널 영역의 캐리어 이동도

- 게이트 폭 / 길이

- 역방향 게이트 전압

 

 

• 접합 방식에 따른 접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET, MESFET 등)의 특성

동종접합 접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET, MESFET 등)

pn접합 또는 쇼트키 접합을 통해 공간전하 영역의 넓이를 조절해서 사용하는 소자

 

동종접합 접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET, MESFET 등) 작동이 잘 되게 하기 위한 조건

- 쇼트키 에너지 장벽 높이기

- 게이트 누설 전류 낮추기

- 역방향 항복 전압 높이기

 

이종접합 접합형 전계효과 트랜지스터 (HEMT, MODFET 등)

이온화된 불순물에 의한 충돌로 인해 이동도를 높이기 어려운 동종접합 접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET, MESFET 등)을 보완하기 위한 트랜지스터

 

예시) AlGaAs / GaAs 이종접합을 이용한 n-HEMT

AlGaAs / GaAs 이종접합을 이용한 n-HEMT 구조

 

이종접합 접합형 전계효과 트랜지스터 (HEMT, MODFET 등) 특징

- 이종접합에 의한 전도 대역과 가전자 대역의 에너지 불연속을 이용

- 게이트 접합은 쇼트키 접합

- 에너지 밴드갭이 큰 도핑층에서 채널층에 캐리어 공급

- 에너지 밴드갭이 작은 층을 채널 영역으로 활용

- 게이트 전압을 통해 채널 영역의 캐리어 농도 조절

 

이종접합 접합형 전계효과 트랜지스터 (HEMT, MODFET 등)를 이용한 전달 컨덕턴스 향상

STEP 1) 전류 형성에 기여하는 이동전하를 공급하는 영역과 채널로 사용하는 영역으로 분리

STEP 2) 공급하는 영역: 밴드갭이 큰 반도체 선택, 채널로 사용하는 영역: 밴드갭이 작은 반도체 선택

STEP 3) 에너지 밴드갭이 큰 반도체에 금속-반도체(쇼트키) 접합을 적용해서 게이트 누설 전류를 최대로 차단

 

 

 

요약

접합형 전계효과 트랜지스터의 전달 컨덕턴스 향상을 위해 채널 길이가 짧고 두꺼워야 한다. 게이트 길이가 짧을수록 소자 특성이 개선되지만 너무 짧으면 짧은 채널효과가 발생한다.

포화영역에서는 드레인 전압이 증가할수록 드레인 전류가 증가하는데, 이는 채널 길이가 감소함에 따른 채널 길이 변조현상에 기인한다.

이종접합 접합형 전계효과 트랜지스터 (HEMT, MODFET 등)은 전달 컨덕턴스를 향상시키기 위해 이종접합을 이용하며, 이를 통해 게이트 접합의 특성을 최적화하여 제조공정을 단순화한다.