반도체의 기본 of 기본, MOSFET이란?

[개요]

 

인간이 만든 생산품들 중 가장 많이 팔린 것은 무엇일까?

바로 MOSFET이다.

MOSFET은 걸어주는 전압에 따라 전자들이 이동하는 통로가 생기거나 막히게 되면서 흐르는 전류량을 조절하는 반도체 소자이다.

보통 스위치같은 역할이 필요할 때 많이 사용한다.

 

 

[MOSFET]

 

MOS

 

MOS는 Metal  - Oxide - Semiconductor 의 약자이며,

금속 - 산화막 - 반도체로 이루어진 구조를 갖는다.

즉, 금속과 반도체 사이에 부도체가 들어 있는 적층 구조로 되어 있다는 의미다.

이 때 반도체가 N형이라면 NMOS, P형이라면 PMOS라 부른다.

 

부도체 역할을 하는 Oxide는 SIO2로 전류가 통하지 않으며,

이러한 Oxide의 두께와 유전율이 MOS의 특성을 결정짓는 중요한 파라미터로 작용한다.

 

 

FET

 

FET은 Field Effect Transistor의 약자이며,

전계 효과를 활용하는 트랜지스터를 의미한다.

일반 트랜지스터가 전류를 증폭시키는데 비해, FET은 전압을 증폭시킨다.

 

 

MOSFET

MOSFET의 구조

MOSFET은 앞서 언급한 MOS와 FET을 결합한 반도체 소자이다.

기본 동작으로, 양 쪽에 위치한 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류의 양을 게이트에 인가되는 전압의 양을 통해 조절한다.

비슷한 원리로 물이 흐르는 강에 수문을 설치하여 흐르는 물의 양을 조절하는 것이 있으며, 이때 수문 역할을 하는 것이 Oxide이다.

 

N-Channel MOSFET & P-Channel MOSFET

 

 

MOS와 마찬가지로 N형과 P형이 존재하며, N-Channel MOSFET & P-Channel MOSFET 이라고 부른다.

여기서 채널은 소스와 드레인 사이에 전류가 흐를 수 있는 통로를 의미한다.

 

N채널의 경우,

소스와 드레인의 영역이 n형인 전자로 도핑되어 있는데, 전류가 흐르기 위해서 채널층에 전자가 존재해야 한다.

P채널의 경우,

소스와 드레인 사이의 채널층에 정공이 존재해야 한다.

 

[MOSFET의 동작 상태]

 

Accumulation

 

N채널 MOSFET을 예시로 들어보자

게이트에 전압을 인가하게 되면, 전기장이 수직 방향으로 인가되는데 이러한 전기장은 반도체 기판까지 영향을 미친다.

그렇게 되면 전기장의 영향으로 인해 반도체에 존재하는 정공이나 전자들이 채널쪽으로 끌려오게 되고

위의 그림과 같이 게이트에 (-) 전압을 인가하게 되면,

가해진 전기장에 의해 채널층에 p형 정공들이 쌓이게 되면서 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르지 못하는 상태가 된다.

 

Depletion

게이트에 양의 전압을 가하게 되면,

채널층에 존재하던 정공들이 전기장에 의해 밀려나면서 어느 순간 채널 층에 정공이나 전자가 없는 빈 공간이 형성된다.

 

Inversion

 

Depletion 영역을 지나 강한 (+) 전압을 가하게 되면 채널층에는 전기장에 의해 끌려온 n형 전자들이 쌓이게 되는데,

이렇게 되면 소스와 드레인 사이에 전류가 흐를 수 있는 상태가 된다.

반대로 P채널의 경우에는 게이트에 (-) 전압을 인가할수록 Inversion 모드가 된다.

 

 

[전압 특성]

I-V 특성 그래프

일정 수준까지는 드레인에 걸리는 전압(VDS)이 증가해도 채널에 흐르는 전류(ID)는 일정하다.

그러다 게이트에 걸리는 전압(VGS)가 증가하게 되면 채널에 흐르는 전류(ID)도 증가하는 것을 볼 수 있다.

 

1. 차단영역

: 채널이 형성되기 전, 채널이 inversion 모드가 형성될 수 있도록 게이트에 전압을 인가해주어야 한다.

만약 inversion 모드가 형성이 안 될 정도의 게이트 전압이 인가된다면 그 구간을 차단 영역이라 한다.

 

2. 선형 영역

: inversion 모드가 형성되고 드레인에 전압을 인가해주게 되면

전압을 인가한 만큼 비례하여 전류가 증가하는 구간이 나오게 되는데, 이 구간을 선형 영역이라 한다.

 

3. 포화 영역

: 채널에 흐를 수 있는 양의 전류가 다 차게 된다면,

그 이상의 전류가 흐르지 않는 일정한 구간이 나오게 되는데, 이 영역을 포화 영역이라고 한다.