반도체 기초 Chapter 12 - 1. MOSFET의 전류-전압 특성

Chapter 12 - 1. MOSFET의 전류-전압 특성

 

전계효과 트랜지스터(FET)는 게이트 전압을 통해서 전류를 조절한다.

 

MOSFET 전류 형성 과정

Step 1) 수직방향 전계 형성

게이트 전압을 인가하면 수직방향 전계가 만들어진다.

수직방향 전계로 인해 기판 표면에 모인 이동 전하가 전도성 채널을 만든다.

 

Step 2) 수평방향 전계 형성

전도성 채널이 만들어진 뒤, 채널 양단에 전압을 인가하면 수평방향 전계가 만들어진다.

수평방향 전계로 인해 채널의 전하가 드리프트 되어 드레인 전류를 만든다.

 

전도성 채널의 저항성을 결정하는 지표

- 게이트 전압

- 산화막 정전용량

- 임계전압

- 채널 길이

- 채널 폭 (수직 단면적)

 

드레인 전류를 결정하는 지표

- 게이트 전압 (수직방향 전계)

- 단위면적당 산화막 정전용량

- 임계전압

 

 

트랜지스터의 종류

- 절연 산화막 전계효과 트랜지스터 (MOSFET)

게이트와 채널 사이에 절연체를 삽입함으로써 전기적으로 분리시켰다.

게이트에 절연성 산화막이 있고 전도성 채널을 반전 이동전하로 형성한다.

 

 

- 박막 전계효과 트랜지스터 (TFT)

기판을 매우 낮게 도핑하여 소스와 드레인 사이의 큰 저항의 특성을 이용한다.

게이트에 절연성 산화막이 있고 전도성 채널을 축적형 이동전하로 형성한다.

 

- 접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET)

게이트에 절연설 산화막을 넣지 않은 pn접합이다. 공간전하영역을 전도성 채널로 이용한다.

게이트 전압으로 기판의 공간전하영역(전도성 채널) 두께를 조절한다.

 

- 쇼트키 전계효과 트랜지스터 (MESFET)

게이트에 절연설 산화막을 넣지 않은 쇼트키 접합(금속-반도체 접합)이다. 공간전하영역을 전도성 채널로 이용한다.

게이트 전압으로 기판의 공간전하영역(전도성 채널) 두께를 조절한다.

 

MOSFET은 게이트 전압을 통해 반전전하 농도 조절을 하며 채널 저항과 전류를 조절한다.

JFET와 MESFET는 게이트 전압을 통해 채널의 두께를 조절하며 채널 저항과 전류를 조절한다.

 

n채널 MOSFET에서 전류-전압 식을 유도하기 위한 가정

- 채널 내 전하의 이동도는 어디서든 일정하다.

- 수평방향 전계는 수직방향 전계보다 매우 약하다. 따라서 채널의 전자 농도는 게이트 전압에 의해서만 영향을 받는다.

- 절연성 산화막이 있기 때문에 게이트에 흐르는 전류는 무시한다.

- MOSFET의 채널폭은 균일하다.

- 드레인 전류는 채널 전 영역에서 균일하다.

- 큰 드레인 전압이 걸릴 때 이동전하 채널 끝부분이 소멸되는 핀치 오프(pinch off) 현상이 발생한다.

- 채널이 아주 짧을 때 높은 전계로 인한 속도 포화는 발생하지 않는다.

 

 

 

요약

FET는 게이트 전압을 통해 전류를 조절하며 채널 양단에 전압을 인가하면 드레인 전류가 생성된다.

전압 가변성 저항은 게이트 전압, 산화막 정전용량, 임계전압 등에 따라 결정되며 반전 이동전하 농도를 결정하는 요인도 다양하다.

MOSFET, TFT, JFET, MESFET는 각각의 방식으로 게이트 전압을 통해 전류를 제어하며 MOSFET에서는 반전전하 농도를 조절해서 채널 저항과 전류를 조절한다.

 

 

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참고

MOSFET과 BJT의 차이

- BJT: 에미터에서 베이스 전압으로 주입된 소수 캐리어의 베이스 중성영역에서의 확산에 의해 전류가 형성된다.

- MOSFET: 게이트 전압에 의해 형성된 반전층 전하의 드리프트에 의해 전류가 형성된다.