3-1. MOSFET

안녕하세요 오늘은 반도체에서 정말 중요한 MOSFET에 대해서 포스팅해보겠습니다.

 

0. Intro

 MOSFET은 (Metal Oxide Semiconductor Field  Effect Transistor)의 준말 입니다. 어렵게 생각하실 필요 없습니다.

 

metal과 oxide가 있는 semiconductor이며 field effect(전계효과)를 사용하는 트랜지스터입니다.

 

자세한 내용은 아래에서 다루겠습니다.

 

1. MOSFET(NMOS)

그림1. NMOS cross section 모습과 symbol

NMOS(n-channel MOSFET)의 옆 모습과 symbol입니다. Gate(Metal)에 전압을 인가하여 전기장(Field Effect)을 만듭니다. 이 때 Oxide는 부도체라 전자들이 Oxide 밑으로 모입니다. 그렇게 전자들이 모이면 Source와 Drain을 이어주는 channel을 만들고 Drain과 Source사이의 전압차이가 발생하면 Source와 Drain사이로 전류가 흐르게 됩니다.

 

참고로 옆 모습을 보면 알 수 있듯이 Source와 Drain은 구조적으로는 대칭입니다.(반면 BJT는 도핑 농도가 emitter가 더 높아 비대칭적 구조입니다)

 

좀 더 자세히 알아보겠습니다.

 

Gate의 전압을$V_{g}$ 라고 하겠습니다. Drain과 Source가 ground에 연결되어있고 substrate도 ground에 연결되어있습니다.

 

만약 $V_{g}$가 0이라면 channel이 형성되지 않아 off가 되겠죠?

 

그럼 이번에는 $V_{g}$를 점점 0에서 증가시켜보겠습니다. 0에서 살짝 증가시키면

p substrate의 hole들을 밀어내 depletion region이 생기게 됩니다. (아래 그림2 참조)

그림2. NMOS with gate voltage

 

substrate은 negative ion을 띄긴 하지만 아직 mobile charge로 channel이 형성되지 않았습니다.

여기서 만약 $V_{g}$를 증가시킨다면 아래 그림3과 같이 channel이 형성되기 시작합니다.

그림3. NMOS with n channel

이렇게 channel이 형성되게하는 전압을 threshold voltage라고 합니다. gate에 이 전압보다 높게 주어야 channel이 생기게 되므로 gate는 threshold voltage보다 높아야합니다.

이제 drain과 source를 전자들이 자유롭게 이동할 수 있는 channel이 형성되었으니 drain과 source사이의 전압차이가 생기면 전류가 흐르게 됩니다.

 

$V_{d}$ (Drain의 전압)을 올려보겠습니다.

그림4. NMOS with gate, drain voltage

그럼 당연히 전자는 source에서 drain으로 움직이고 전류는 drain에서 source로 흐르게 됩니다.

(electorn의 관점에서 source에서 drain으로 빨려들어가니깐 왜 이름이 source, drain인지도 알겠죠?)

여기서 만약 $V_{d}$를 더 증가시키면 어떻게 될까요?

 

 

그림5. NMOS with gate, bigger drain voltage

그림5 처럼 drain쪽의 channel이 얇아지게 됩니다. 어찌보면 당연한 얘기입니다. gate와 source의 전압차이와 gate와 drain의 전압차이를 비교했을 때 gate와 drain사이의 전압차이가 더 적다 보니 channel도 얇게 형성되는 것입니다.

 

 

여기서 $V_{d}$를 더 증가시켜보겠습니다.

그림6. NMOS with pinch off

그러면 drain 쪽의 channel이 형성되지 않게 되고 이 현상을 Pinch Off라 합니다.

gate와 drain사이의 전압이 threshold voltage보다 작게 되면 일어납니다. 수식으로 나타내면 아래와 같습니다.

$$V_{g} - V_{d} \leq V_{th}$$

 

하지만 channel이 끊겼다고 전류가 흐르지 않게 되는 것은 아닙니다.

아래 그림7을 참고하겠습니다.

그림7. operation near the drain

channel끝의 전자들은 substrate과 drain 사이 depletion region에 의한 큰 전기장의 힘을 받게 되어 drain으로 휩쓸리게 됩니다.

p-substrate은 ground에, n으로 도핑된 drain에는 +전압이 걸려 둘 사이의 reverse bias에 의해 depletion region이 생긴 것입니다.

그리고 이 때부터  $V_{d}$는 전류에 영향을 주지 않게 됩니다.(아예 상관이 없는 것은 아닙니다. 이후 channel length modulation에 대해 설명하면서 다루겠습니다.)

 

MOSFET의 동작은 지금까지 설명을 토대로 작동합니다.

2. 정리

정리하면 MOSFET의 동작 범위는 3가지로 구분할 수 있습니다.

gate와 darin의 전압은 source를 기준으로 잡습니다.

 

1. $V_{gs}\leq V_{th} $ (그림2 경우) 

MOSFET이 작동하기 위해서는 channel을 형성해야합니다.만약 channel이 형성되지 않으면 MOSFET이 cut off region에 있다고 합니다. 전류가 흐르지 않아서 차단됐다는 뜻입니다.

 

2. $V_{gs}\geq V_{th}$ 이면서 $V_{gs} - V_{th} \geq V_{ds}$ 라면(그림5 경우) 

이번에는 $V_{gs}$가 $V_{th}$보다 크지만 pinch off가 일어나지 않았다면, 이 때를 triode 혹은 linear region에 있다고 합니다.

 

3. $V_{gs} - V_{th} \leq V_{ds}$ 라면(그림 6경우)

이 때를 saturaion region에 있다고 합니다. $ V_{ds}$가 증가해도 포화되어 전류가 증가하지 않습니다.

 

우선 오늘은 MOSFET의 동작 방식과 동작영역에서만 다루고 다음에는 조금 더 심화된 내용을 다루겠습니다.

 

질문, 오류지적 환영합니다.