<MOSFET> 2. MOSFET 동작영역 (operation region)

이번 포스트에서는 MOSFET의 동작영역에 대해서 살펴보자.

MOSFET의 동작 영역에 대해서 이해하기 위해서는 MOS 구조와 MOSFET의 차이를 이해해야한다.

 

우선 MOS Capacitor 의 기본 동작모드를 살펴보면
gate전압에 의해 수직한 Electric filed가 형성되고 surface 근처에서 inversion charge가 쌓여 inversion mode로 바뀌었다.

 

이때 MOS Capacitor의 동작모드는 크게 gate 전압이 threshold voltage를 넘거나 넘지않는 경우에 따라

두가지 모드로 결정됐다.

 

$V_{G}$ < $V_{T}$ : not inverted
$V_{G}$ > $V_{T}$ : inverted

 

MOSFET의 경우
MOS Capacitor와 가장 큰 차이점 중 하나로 Source 와 Drain 영역이 생겼다는 점인데
이 두 영역의 전압차에 의해서 수평한 방향의 Electric field가 형성되었다.

두번째로 source와 drain 사이 전압차에 의해 전류가 흐르는데
이때 저항 드랍에 의해서 채널 안은 전압 강하가 일어난다.

접지부터 $V_{D}$까지 (0V~$V_{D}$) 거리에 따라서 exp하게 분포하게 되는 채널의 전압 분포가 나타나게 되는데
이 점 또한 MOS Capacitor와 큰 차이점 중 하나가 된다.

 

이 채널의 전압 분포로 인해서

MOS Capacitor 와 MOSFET 의 동작모드의 차이점이 두드러진다.

좌 : MOS Capacitor // 우 : MOSFET

MOS Capacitor 는 Vgb 양단에 걸리는 전압차가 Si의 Surface 부근에서 모두 일정하므로

Surface 전영역이 동일하게 inversion mode가 되거나 되지않는다.

 

하지만 MOSFET의 경우

위치에 따라 달라지는 수직 방향의 전압차로 인해서 채널 형성이 다르게 될 수 있다.

 

어떤 부분은 gate와 채널간의 전압차가 $V_{T}$를 넘지 못해 inversion mode가 아닌 depletion mode나 accumulation mode가 되어 채널 형성이 되지 않는다.

 

예를들어 오른쪽 MOSFET 그림의 thresold voltage 가 2.5V라 하면

source부근과 채널 중간까지는 inversion된 채널이 형성되지만 drain 부근에는 채널 형성이 되지 않는 상황이 발생한다.

 

이처럼 gate 전압뿐 아니라 Drain 전압에 의한 Channel potential의 분포 영향으로 인해

MOS Capacitor와 동작모드가 달라지게된다.

 

 

MOSFET 동작모드 ( $V_{D}$-$I_{D}$ output characteristic )

 

1. linear region

gate 전압이 thresold 전압을 넘어 채널이 모든 지점에서 형성된 후

Vds 를 인가한 경우를 살펴보자. (이때 gate 전압은 항상 일정하다고 가정한다.)

Vg>Vt : strong inversion // Vd > 0 (low) (linear region)

모든 부분에 채널 (inversion layer)이 형성 된 후로 $V_{D}$가 증가할 때 $I_{D}$ 가 선형적으로 비례해서 증가하는 구간이 생긴다.

이를 linear region이라 한다.

 

 

2. pinch-off condition

Vd에 전압을 인가하게 되면 $V_{GD}$가 작아지므로 점점 Drain 쪽 채널이 점점 좁아지게 된다.

Vd > 0 (medium) // Vgd = Vt ( pinch off condition)

채널이 좁아지면서 선형적으로 증가하던 전류가 점점 감소하게되고
$V_{D}$가 계속 증가해 $V_{G}$-$V_{D}$=$V_{T}$ 가 되는 지점에서 inversion 채널이 생성되는 시점에 도달한다.

이 Drain 경계면에서 inversion channel이 형성되기 시작되는 시점을 바로 pinch off condition이라 한다.

 

linear region을 넘어 pinch off 시점까지 $V_{D}$가 증가함에 따라 drain current의 증가가 감소하다가 채널이 뚝 끊기게 된다.

 

 

3. Saturation region

$V_{D}$ 를 계속 인가하다 pinch off 지점을 넘어서 채널이 끊기고
Drain 영역 부근쪽의 채널이 depletion mode가 되었을 때 모든 부분에 채널이 형성되지 못한다.

 

이때 $V_{D}$가 증가해도 $I_{D}$ 변화없이 일정하게 되고
전류의 크기는 $V_{G}$에 의해 결정이 된다.

 

이 지점을 Saturation region라 한다.

Vd > 0 (high) (saturation region)

이때 채널의 형성이 끊겼을 때 드는 몇가지 의문점이 들게된다.

 

1.saturation region에서 채널이 depletion mode에 의해 끊겼는데도 전류가 흐를까?

대부분의 전압은 형성된 depletion 영역(끊긴 부분 양단)에 걸리게 되는데 이때 이 양단 사이에 강한 electric field가 형성된다.
source에서 drain쪽으로 흘러오던 전자는 강한 전기장에 의해 건너가게 되어 전류는 꾸준히 흐르게된다.

 

2.$V_{D}$ 가 증가해도 $I_{D}$는 변함없이 일정한가?
$V_{D}$에 의해 채널이 끊겨 형성된 전기장은 단순히 전자의 이동에만 관여하게되고
건너갈 전자의 양은 이미 gate 전압에 의해 정해지게 된다.
따라서 $V_{G}$에 의해 채널을 지나가는 전자의 양이 결정되는 것이므로 $V_{D}$가 증가해도 Drain current는 일정하게 흐르게 된다.

따라서 $V_{D}$-$I_{D}$ 의 output characteristic 그래프를 살펴보면
saturation region부터는 일정하게 흐르는 모습을 볼 수 있다.

 

 

$V_{G}$ - $V_{D}$ 관계

 

MOS Capacitor는 gate 전압으로만 동작 영역을 control 했지만

MOSFET의 경우는 gate 전압뿐아니라 Drain 전압까지 기여를 하게 되기 떄문에
$V_{G}$ 와 $V_{D}$ 동시에 동작 영역을 control하게 된다.

따라서 두 전압 사이의 관계가 발생하게 되었고 다음과 같은 그래프로 정리할 수 있게된다.

 

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작성자: 손동휘 // 수정및검토 : 이현우 , 김현수