MOSFET 란

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규운 백
5 years ago
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MOSFET 란? 절연게이트형전계효과트랜지스터 (insulated gate field effect transistor) 의대표작이라할수있는 MOSFET 를다뤄볼까합니다. MOSFET 은 'metal oxide semiconductor field effect transistor' 의약어입니다. MOS-FET 또는붙여서 MOSFET 이라고합니다.

P-MOSFET : p-channel 을가지는 MOSFET ------------------------ 1. 증가형 (enhancement type) : 게이트에서수문을점점열어줌 2.

1 MOSFET 란? 절연게이트형전계효과트랜지스터 (insulated gate field effect transistor) 의대표작이라할수있는 MOSFET 를다뤄볼까합니다. MOSFET 은 'metal oxide semiconductor field effect transistor' 의약어입니다. MOS-FET 또는붙여서 MOSFET 이라고합니다. 일반적으로는전기적인신호를증폭하거나스위칭을하는목적으로쓰입니다. MOSFET 의기본적인원리는이전의포스트에서언급했던것같은데, 현대전해커패시터의아버지라고불리는 Julius Edgar Lilienfeld 가 1925 년의실험에서밝혀진것이라할수있습니다. 그리고 MOSFET 은크게두가지분류를합니다. 1. N-MOSFET : n-channel 을가지는 MOSFET 2. P-MOSFET : p-channel 을가지는 MOSFET 증가형 (enhancement type) : 게이트에서수문을점점열어줌 2. 공핍형 (depletion type) : 게이트에서수문을점점닫아줌 분명히 FET 이라고붙어있음에도, 접합형전계효과트랜지스터 (junction field effect transistor) 와구분하는이유는, MOSFET 에서는게이트와채널사이에절연체가쓰인다는것입니다. 그래서이름도절연게이트형전계효과트랜지스터인거구요. 절연체를사용하는이유는, 게이트전압에의해생성된전계가, 저항성분이큰절연체에강하게형성되기때문에, 입력임피던스가대단히커져서, 게이트전류가흐르지않아서입니다. 그러면절연체가쓰이는 MOS 구조에대해서알아보자면... Metal-Oxide-Semiconductor

아까증가형과공핍형으로구분한다고한이야기는게이트전압에의해서, 전자또는정공이지나가는 channel 이점점커지면, 증가형, 줄어들면공핍형이라고할수있습니다.

2 금속이 Ohmic contact 으로전극이되고, 그밑에절연체인 Oxide 가있습니다. 그리고그밑으로 Bulk 또는 substrate 라고하는것이 p 형반도체을의미합니다. 아까증가형과공핍형으로구분한다고한이야기는게이트전압에의해서, 전자또는정공이지나가는 channel 이점점커지면, 증가형, 줄어들면공핍형이라고할수있습니다. 그러면이제 MOSFET operation 에대해서알아봅시다. 게이트가열리면 Source 와 Drain 사이의전극을통해서, 캐리어가이동하는것은 JFET 과같습니다. 채널이생성되기이전까지어떤과정이있는지볼까하는데요. ( 그림은역시그리기가귀찮아서... 형설출판사 'semiconductor device engineering' 에서스캔을떴습니다.)

3 위의그림과같이세단계로이루어집니다. 1. Accumulation mode( 축적모드 ) 2. Depletion mode( 공핍모드 ) 3. Inversion mode( 반전모드 )

4 세가지의모드에서보면, 게이트의금속과아래의기판으로전극이형성되어있는데, 실제 MOSFET 에서직접적으로저렇게전극을이어놓았다는것은아니고요. 다만이해를돕기위해, MOS 구조에서 Metal 과 Semicon 사이의전위차에따라서, 어떻게되는지말하기위해서, 붙여놓은것입니다. 물론실제로저런식으로전극을구성해도똑같이될것입니다. 회로설계를어떻게하느냐에따라서다르겠지만, 일반적으로 Source를접지한형태로, V GS 와 V DS 가쓰이고, Source와 Substrate 사이에는 V BS 가됩니다. (a) 축적모드는기판전압이금속의게이트전압보다놓을경우입니다. 즉, (V BS - V GS > 0) 인경우입니다. ( 실제회로가접지를기준으로전위의높고낮음이결정되어지잖아요? 그러다보니, Source 기준으로이야기하여, 저렇게되는것입니다 ) 금속쪽이 -고, 기판쪽이 + 가되어서, 절연층근처 P형반도체의전자들이밀려나고, 그자리에정공이비교적뭉쳐서존재하게됩니다. 그러면전계는그림에서보듯, 정공축적층에서금속쪽으로걸리게됩니다. 사실이축적모드는 MOSFET의

동작에있어서큰의미가있는것은아닙니다. 왼쪽의밴드그림은복잡해보이지만, 간단합니다. 본래평형상태의접합이라면, 아래그림처럼페르미레벨이일치해야할것입니다. 그러나, P형반도체의표면부에서전자들이밀려나고, 이들이줄줄이아래쪽의전자들을밀어서, 도선을따라서, 금속쪽에전자를공급하게됩니다. 결국반도체의페르미레벨은전위차만큼 (qv G ) 올라가게됩니다. 그래서저렇게휘어지는것입니다.

5 동작에있어서큰의미가있는것은아닙니다. 왼쪽의밴드그림은복잡해보이지만, 간단합니다. 본래평형상태의접합이라면, 아래그림처럼페르미레벨이일치해야할것입니다. 그러나, P형반도체의표면부에서전자들이밀려나고, 이들이줄줄이아래쪽의전자들을밀어서, 도선을따라서, 금속쪽에전자를공급하게됩니다. 결국반도체의페르미레벨은전위차만큼 (qv G ) 올라가게됩니다. 그래서저렇게휘어지는것입니다. (b) 공핍모드는게이트전압이기판전압보다커졌을경우입니다. 즉 (V GS - V BS > 0) 인경우이죠. 이때는축적모드의반대의모습을보이기시작합니다. 금속쪽이이번에는높은전압의 + 가되어서, 반도체표면의정공을밀어냅니다. 정공이밀려나면그자리에공간전하, 억셉터이온이형성되게됩니다. 즉공핍층이형성되는것이죠. 밴드선도에서는기판전압에비해서커진게이트전압만큼금속의페르미레벨이떨어지게됩니다. 이것은금속의전자들이도선을따라서밀려나 P형으로공급되기때문입니다. (c) 반전모드는공핍모드상태에서게이트전압을더욱더키웠을경우일어납니다. 이큰힘 (?) 으로전자들이도선을따라서쭉쭉공급되어서반도체의전자들을계속밀어줍니다. 이전자들이밀리고밀려서, 결국에반도체표면부에전자들이쌓이기시작합니다. 마치주판에서제일위에있는알을왼쪽처음부터오른쪽끝까지하나씩위로올려놓는것과비슷합니다. 이렇게해서전자들이하나의층을이루게되는데, 이것을바로반전층 (Inversion layer) 라고하고, 이때의게이트전압을문턱전압또는 threshold voltage 라고합니다. 반전모드의밴드선도는잘보셔야되는데, 그림이작아서식별이좀어렵긴하지만... 표면에서의페르미에너지가진성페르미보다높다는것입니다. 이것은전계에의해서, 표면부쪽에만전자들이국부적으로몰려 N 형반도체처럼되었다고할수있습니다 MOSFET Operation 위에서게이트전압에의해서채널이형성되어지면증가형과, 채널이소멸되면공핍형이라고했습니다. 아래그림은 n type enhancement MOSFET 의 On 과 Off 상태를보여주는것입니다.

이러한채널형성과정에대해서는앞에서다뤘으니더이상이야기하지는않겠습니다. MOSFET 의 I-V 특성곡선인데요. 예그렇습니다. BJT 와 JFET 에서봤던거랑똑같습니다.

6 대충 nmos를그려봤습니다. 전극연결은일반적으로 Source를접지로저런식으로합니다. 물론 Source가아닌 Drain 이나 Gate 접지를하여회로를구성할수도있습니다. 위그림에서는편의상채널이형성되어있는것으로그려놨는데... V GS 가걸려 Threshold voltage 이상을넘지않으면채널은형성되지않습니다. 이러한채널형성과정에대해서는앞에서다뤘으니더이상이야기하지는않겠습니다. MOSFET 의 I-V 특성곡선인데요. 예그렇습니다. BJT 와 JFET 에서봤던거랑똑같습니다. 왜냐구요? 결국트랜지스터니까요... -_-;; 그럼왜이름이다르냐구요?... GE, 도요타, 벤츠, 크라이슬러... 현다이... 모두자동차라는공통점은있지만... 타보면다르듯이... 뭐그런겁니다.

7 위그림에서선형영역 (linear region) 은 V GS >V TO, V DS <(V GS -V TO ) 인조건에서나타나는전류전압 특성입니다. 저항성영역이라고도합니다. 이선형영역에서의전류 I D 는다음과같습니다. β I D = 2 [2(V GS -V T )V DS - V DS 2 ] β = K(W/L) K = μ n C OX = μ n (ε OX /t OX ) C OX : 게이트-산화막-반도체가이루는커패시터의단위면적당용량값 (F/cm 2 ) ε OX : 게이트산화막의유전율, 산화막유전율과진공에서의유전율의곱 (=ε S ε 0 ) t OX : 산화막의두께 W/L : 종횡비, aspect ratio, channel 의저항성분을결정하는공정상에중요인자 그리고선형영역이끝나기바로직전에포화영역으로들어가는단계에서의점들을이어놓은것이 핀치오프 (pinch off) 선이라고할수있습니다. 다시말하면, 드레인근처에공핍층이커져서채널을막아버리게되는지점입니다. 포화영역에서는 V GS >V TO, V DS >(V GS -V TO ) 조건을만족해야합니다. β [2(V GS -V T )V DS - I D = 2 V 2 DS ] 선형영역의드레인전류, I D 에서 V GS -V T = V DS 가되는점이핀치오프 (pinch off) 이고, 이이후로 V DS 가더커지더라도, 전류는더증가하지도감소하지도않는, 즉아무런관련이없게됩니다. 즉포화영역에서는 V GS -V T =V DS 로놓아도무방합니다. 선형영역 (linear region) 의드레인전류식에넣어서계산해주면... β I D = 2 [V GS -V T ] 2

Microsoft PowerPoint - Ch8

Microsoft PowerPoint - Ch8 Ch. 8 Field-Effect Transistor (FET) and Bias 공핍영역 D G S 채널 8-3 JFET 바이어스 자기바이어스 (self-bias) R G - 접지로부터 AC 신호를분리 I D I G = 0 G = 0 D I D I S S = I S R S I D R S S I S = G - S = 0 I D R S = - I D R S D