반도체 기초 Chapter 12 - 2. MOSFET의 구조와 전류 관계식

Chapter 12 - 2. MOSFET의 구조와 전류 관계식

 

MOSFET에서는 절연성 산화막으로 인해 수직방향 전류는 흐르지 않는다. 수평방향 전류인 드레인 전류가 흐른다.

드레인 전류는 전도성 채널의 두께, 산화막 정전용량, 채널전하의 농도와 이동도에 의해 그 크기가 결정된다.

 

 

MOSFET의 전류-전압 특성을 유도하기 위한 과정

1. 기판 단자는 소스와 전위가 동일하다.

2. 게이트 전압은 임계전압보다 크게 인가된다.

3. 채널전하의 이동속도는 드레인 전압에 의해 형성된 수평 방향 전계의 세기에 비례한다.

4. 전류-전압 관계식은 선형영역이다.

 

MOSFET의 전류 형성

MOSFET을 포함한 전계효과 트랜지스터는 전자 또는 정공 중 한 종류만 전도성 채널을 형성하고 전류를 만드는 유니폴라(unipolar) 소자이다.

 

선형 영역의 전류-전압 특성

선형 영역

드레인 전압이 아주 작을 때 MOSFET의 드레인 전류는 드레인 전압에 선형적으로 비례한다. 이때 MOSFET의 채널 영역은 게이트 전압에 의해 조절되는 가변저항과 같다.

 

채널 저항에 영향을 미치는 요소

- 채널 영역 전하의 이동도

- 게이트 전압, 임계전압

- 소자의 크기 (게이트 폭과 길이)

- 산화막 정전용량

 

선형 영역에서 동작하는 경우 드레인 전류에 영향을 미치는 요인

- 기판 페르미 전위, 평탄대역 전압, 산화막 정전용량

- 게이트 전압과 드레인 전압

 

포화 영역의 전류-전압 특성

임계전압보다 큰 게이트 전압이 인가되는 경우, MOSFET에 전도성 채널이 형성된다. 드레인 전압이 증가할수록 드레인 전류는 증가가 둔해진다.

 

- 핀치 오프 (pinch off)

드레인 전압이 크게 인가되면 드레인 부분에서 채널이 소멸된다.

- 드레인 포화전압

핀치 오프되는 전압 또는 드레인 전압이 증가하더라도 드레인 전류가 일정하게 유지되기 시작하는 전압

 

- 드레인 포화전류

드레인 포화전압이 인가되었을 때 일정하게 유지되는 드레인 전류

게이트 길이가 짧을 때는 포화 영역이라도 드레인 전류가 증가하는 현상이 일어난다.

 

 

 

요약

MOSFET의 드레인 전류는 전도성 채널의 특성에 따라 결정되며 게이트 전류는 흐르지 않는다.

전류-전압 특성 유도과정은 기판과 소스가 동일한 전위에서 게이트 전압이 인가되어 전류가 발생하며 선형 영역과 포화 영역으로 나뉜다.

포화 영역에서는 드레인 전류가 드레인 전압에 비선형적으로 증가하며 핀치 오프 상태와 포화전류의 개념이 중요하다.

 

 

 

 

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참고

 

차단 상태와 핀치 오프 상태 차이

- 차단 상태: 게이트 전압이 임계전압보다 작아서 소스부터 드레인까지 전 영역에 전도성 채널이 형성되어 있지 않은 상태

- 핀치 오프 상태: 전도성 채널이 형성되어 있지만 드레인 전압이 커서 드레인 부분에서 채널 소멸 상태가 나타난 상태

 

게이트 길이에 따른 현상

- 게이트가 긴 MOSFET: 큰 드레인 전압이 인가되면 채널이 소멸되지만 그로 인한 전기적 특성의 변화는 무시한다.

- 게이트가 짧은 MOSFET: 큰 드레인 전압이 인가면 수평 방향 전계 이외에 다른 힘의 증가에도 기여한다. 그로 인한 전기적 특성의 변화는 무시할 수 없다.