<MOSFET>1. MOSFET 정성적 해석, 동작원리

이번 포스팅에서는 MOS junction을 이용한 MOSFET에 대하여 알아보자.

 

MOSFET : Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 이다. 

 

모스펫은 기존 MOS구조에 전자의 공급원 역할을 하는 Source와 전자가 빠져나가는 Drain이 결합된 형태이다.

사진 출처 :&nbsp;https://amkorinstory.com/877

 

전자는 source → drain으로 이동하고 이는 drain → source로 $I_D$ 전류의 흐름을 만든다. 

 

우리는 금속에 가해진 $V_G$에 따라 MOS에서 발생하는 여러가지 mode에 대하여 배웠다.

이 mode를 source와 drain사이에 흐르는 전류의 흐름을 제어하는 것이 모스펫이다.

 

그렇다면 $V_G$에 따른 mode별 MOSFET의 동작 특성을 알아보자.

 

Off-state

$V_G<0$인 경우로, 우리는 hole이 surface쪽에 모인다는 것을 배웠다. 

si의 p-type은 source와 drain의 n-type과 접합 시 앞에서 배운 PN junction과 같이 energy barrier가 생성된다. hole은 이 장벽을 넘기가 쉽지않다. 또한 Drain 쪽에 양의 전압을 인가했기 때문에 hole은 움직임은 더욱 제한된다. 

위와 같은 이유로 전류는 흐르지 않는다.

이 상태를 우리는 Off-state라고 한다. 

 

subthreshold 

 $V_G$가 0보다는 크지만  $V_T$보다 작은 경우로 생각해보자. 

우리는 이 경우에 surface쪽에 depletion영역이 생긴다는 것을 배웠다.

 

 

Gate에 $0<V_G<V_T$ 만큼의 전압이 인가되면 depletion 영역이 발생한다. 

이때 약간의 inversion carrier인 electron을 제외하면 mobile carrier는 존재하지 않는다.

inversion carrier는 전류를 발생시키기에는 적은 양이기 때문에 depletion 상황에서는 전류 $I_D$가 거의 0에 가깝다.

이러한 상태를 우리는 subthreshold 라고 한다. 

 

On-state 

 $V_G$ > $V_T$ 인 경우를 생각해보자.

우리는 이 경우에 surface쪽에 inversion으로 인해 n-type과 같아진다는 것을 배웠다.

 

Gate에  $V_G$ > $V_T$ 인 전압이 인가되면 전자들이 surface쪽으로 모이면서 inversion영역이 생긴다. 이로인해 반도체의 surface쪽은 마치 n-type과 같아 진다. 

 

이때 drain에 $V_D>0$전압을 인가하게 되면 source, inversion region, drain이 모두 같은 반도체가 연결된 것과 같아진다.  이때는 전자가 source에서 쉽게 drain으로 이동하게 되며 전류가 흐른다. 

이와 같이 전류가 잘 흐르는 상태를 모스펫의 on-state라고 한다.

 

inversion 된 영역은 channel 이라고 하며 이 channel을 통해 source에서 drain으로 전자가 쉽게 건너갈 수 있게 된다.

앞으로 이 channel은 모스펫의 특성을 파악하는데 굉장히 중요한 요소일 것이다. 

 

모스펫의 대략적인 동작 원리에 대하여 알아보았다. 

그렇다면 이번에는 모스펫의 종류에 대하여 알아보자.

 

 

NMOS/PMOS

모스펫은 다양한 종류가 있다. 먼저 알아볼 구분법은 inversion영역이 n-type인지 p-type인지에 따른 구분방법이다.

 

NMOS의 경우 p-type si로 제작하며 inversion 영역이 N-type으로 N-channel을 형성하는 모스펫이고,

PMOS의 경우 n-type si로 제작하며 inversion 영역이 P-type으로 P-channel을 형성하는 모스펫이다.

 

두 모스펫의 동작은 반대로 발생한다. 

$V_G>V_T$ 이면 NMOS - ON/ PMOS - OFF

$V_G<V_T$ 이면 NMOS - OFF/ PMOS - ON 로 동작한다. 

두 모스펫의 동작 특성을 활용하여 CMOS(Complementary MOS)로 사용하는 경우도 있다. 이 경우는 추후에 더욱 자세하게 알아보도록 하자.

 

Enhancement mode/Depletion mode

다음으로는 전압을 인가하지 않았을 때 channel의 유무에 따른 구분 방법이다.

이 경우는 Gate에 전압을 인가하지 않았을 때 channel의 유무에 따른 구분 방법이다. 

Enhancement mode의 경우 전압을 인가하지 않았을 때 channel이 없어 전류가 흐르지 않는 OFF 상태이고, 전압을 인가하면 channel이 활성화 되어 전류가 흐르는 ON상태가 된다. 

Depletion mode의 경우 $V_T$를 잘 디자인 하면 Gate에 전압을 인가하지 않아도 channel을 형성시켜 전류가 흐르도록 하는 ON상태가 될 수 있다. 이때 전압을 인가하게 되면 channel이 형성되지 않아 전류가 흐르지 않는 Off상태가 된다.

 

 

 

 

 

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작성자: 김현수 / 수정 및 검토: 손동휘, 이현우