반도체 기초 Chapter 13 - 2. 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET, MESFET 등)의 상태에 따른 전기적 특성
Chapter 13 - 2. 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET, MESFET 등)의 상태에 따른 전기적 특성
접합형 전계효과 트랜지스터의 구분
접합형 전계효과 트랜지스터는 게이트 전압이 인가되지 않았을 때 전도성 채널이 형성되어 있는지 아닌지에 따라 구분한다.
- 공핍형(depletion mode) 전계효과 트랜지스터
게이트 전압이 0일 때 전류가 흐를 수 있는 중성채널 영역이 있는 전계효과 트랜지스터이다. 게이트에 역방향 전압을 인가해서 공간전하 영역이 확장되면 전도성 중성채널이 축소된다.
따라서 게이트 전압이 역방향으로 커질수록 전도성 중성채널은 넓어지고 드레인 전류는 증가한다.
- 생성형(enhancement mode) 전계효과 트랜지스터
게이트 전압이 0일 때 전류가 흐를 수 있는 중성채널 영역이 없는 전계효과 트랜지스터이다. 게이트에 순방향 전압을 인가해서 공간전하 영역이 축소되면 전도성 중성채널이 확장된다.
따라서 게이트 전압이 순방향으로 커질수록 전도성 중성채널은 넓어지고 드레인 전류가 증가한다.
게이트에 순방향 전압이 인가되면 게이트를 통해 전류가 누설되기 때문에 생성형 전계효과 트랜지스터를 사용하는 경우는 매우 드물다.
게이트 누설 전류 발생 여부
MOSFET
게이트 절연막이 존재하기 때문에 게이트 전압의 방향에 관계없이 게이트 누설 전류가 만들어질 수 없다.
JFET, MESFET
접합형 전계효과 트랜지스터의 게이트에 순방향 전압이 인가하면 게이트를 통해 누설 전류가 생성되므로 역방향 전압만 인가해야 한다.
- 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET, MESFET 등)의 상태에 따른 전기적 특성
선형영역 상태일 때 전기적 특성
선형영역이 되는 조건
- 게이트 전압이 채널 소멸되기 시작하는 전압보다 역방향으로 작을 때
- 드레인 전압이 포화영역 상태가 되기 시작하는 전압보다 작을 때
JFET이 선형영역 상태일 때 드레인 전류는 채널 저항에 반비례한다.
포화영역 상태일 때 전기적 특성
드레인 전압이 증가할수록 드레인 전류는 증가하고 드레인과 가까운 채널 영역은 조금씩 소멸된다. 그러다가 드레인 끝부분 채널이 소멸되면 드레인 전류는 일정해지는 포화영역 상태가 된다.
- JFET / MESFET의 전달 컨덕턴스
JFET / MESFET의 게이트 전압 변화(입력)에 따른 드레인 전류의 변화(출력)인 전달 컨덕턴스를 높이는 방법
- 캐리어 이동도를 높인다.
- 채널 도핑 농도를 높인다.
- 채널층을 두껍게 한다.
- 채널의 폭/ 채널의 길이 비율을 높인다.
전달 컨덕턴스가 향상되면 전류 구동 능력이 증가하고 고주파 증폭을 크게 할 수 있다.
요약
접합형 전계효과 트랜지스터는 공핍형과 생성형으로 나뉘며 게이트 전압에 따라 전도성 채널의 형성이 달라진다.
전계효과 트랜지스터는 선형 영역에서는 드레인 전류가 채널 저항에 반비례하며 포화 영역에서는 드레인 전류가 일정해진다.
JFET와 MESFET의 전달 컨덕턴스를 향상시키기 위해 캐리어 이동도를 높이고 채널 도핑 농도를 높이는 등의 설계가 중요하다.
참고
공핍형 n-JFET에서 채널 영역의 두께가 두꺼울수록, 도핑 농도가 높을수록 드레인 전류는 커진다.
역방향 게이트 전압이 증가할수록 공간전하 영역은 확장되어 전도성 중성채널 영역이 소멸되어 버리는 차단동작(cut-off) 상태가 된다.
선형영역에서 공간전하영역의 두께는 공간적으로 일정하지 않다.
JFET 또는 MESFET의 채널 저항에 영향을 미치는 요소
- 채널 두께
- 게이트 길이
- 게이트 폭
- 게이트 전압
JFET 또는 MESFET의 드레인 포화전류에 영향을 미치는 요소
- 중성 채널의 도핑 농도
- 중성 채널 두께
- 게이트 길이
- 게이트 폭
- 게이트 전압
- 중성 채널전하의 이동도