지난 포스팅에서는 BJT의 구조와 동작에 대해서 살펴보았습니다. 이번엔 FET에 대해서 알아보려고 하는데요, FET는 Field-Effect Transistor의 약자로 전계효과 트랜지스터라고 합니다. 오늘날 마이크로 프로세서나 메모리 등에 사용되는 핵심 부품이죠.
먼저 FET에는 JFET와 MOSFET 두가지 종류가 있습니다. 이번 포스팅에서는 MOSFET에 대해서 알아보도록 하겠습니다!
MOSFET이란?
MOSFET은 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor를 뜻합니다. 여기서 MOS, 즉 Metal-Oxide-Semicounductor는 MOSFET의 구조를 나타내는 말이기도 합니다. 아래 그림처럼, 금속, 산화막과 반도체가 순서대로 적층된 형태이기 때문에 다음과 같은 이름이 붙여졌습니다.
MOS 적층구조
또 MOSFET은 3개의 단자, 게이트(Gate), 소스(Source), 드레인(Drain)으로 이루어져 있으며, 게이트 양쪽에 Source와 Drain이 있습니다. 게이트는 G, 소스는 S, 드레인은 D로 표현하기도 합니다.
3단자 디바이스
Metal은 전류가 흐를지 말지를 결정하는 게이트 단자가 있습니다. Oxide는 절연체 역할을 합니다. Metal과 Semiconductor 사이에 직접 전류가 흐르지 않고 '전계'를 만들기 위함입니다. 즉 MOSFET 이름에서도 알 수 있듯이, MOS 구조를 가지며, M과 S사이의 전계를 이용한 디바이스이기 때문에 이러한 이름이 붙었습니다.
BJT에서도 npn, pnp형으로 나뉘듯이, MOSFET에서는 어떤 캐리어가 전류를 흐르게 하는지에 따라서 NMOS와 PMOS로 나뉘게 됩니다.
사실 위에서 본 p형 기판을 사용하는 MOSFET이 NMOS입니다. 그렇다면 PMOS는 어떤 구조를 가지게 될까요?
PMOS는 반대로 n형 기판을 사용하게 됩니다. 그리고 소스, 드레인은 p+로 도핑되어 있습니다.
NMOS는 전자가 전류를 생성하는 캐리어이며, PMOS는 정공이 전류를 생성하는 캐리어이기 때문에 각각 이런 이름이 붙습니다.
또 전류가 흐르는 상황일 때 게이트 밑, 즉 소스와 드레인 사이에 채널(Channel)이라는 것이 형성이 됩니다. NMOS에는 N형 채널, PMOS에는 P형 채널이 형성되게 되는데, 채널은 전자 또는 정공, 전류를 흐르게 하는 캐리어들이 지나다니는 일종의 '통로'라고 생각하시면 될 것 같습니다.
공핍형, 증가형 MOSFET
MOSFET은 공핍형(Depletion Type)과 증가형(Enhancement Type)으로 나뉘게됩니다. 공핍형은 소스와 드레인 사이에 있는 채널이 평상시에 형성이 되어 있어서 전류가 흐르다가, 게이트를 닫아주면 전류가 차단되는 형태이고, 증가형은 반대로 평상시에는 채널이 형성되어 있지 않다가, 게이트를 열어주면 전류가 흐르게 되는 형태입니다.
공통적으로 채널이 형성되면 전류는 다 똑같이 흐르지만, 보통 증가형 NMOS가 제일 많이 쓰입니다. 보통은 평상시에 OFF 상태이기 때문에 증가형을 사용하고, 전자의 Mobility가 정공의 Mobility보다 높기 때문에 NMOS를 사용합니다.
그러면 증가형 NMOS에 대해서 살펴보겠습니다. 평상시에는 채널이 형성되지 않아 전류의 흐름이 없는 상태입니다. 이때 게이트에 양의 전압을 걸게 되면, p형 기판에 정공들은 척력에 의해 밀려나고, 전자들이 게이트 밑부분에 몰려들어 N형 채널을 형성하게 됩니다. 이러한 채널은 Inversion Layer(반전층)이라고 부르는데, p형 기판에서 Minority Carrier인 전자가 모여 만든 층이기 때문입니다.
증가형 NMOS에 양의 전압을 걸어준 경우
만약 게이트에 음의 전압을 걸게되면 반대로 정공들이 게이트 밑에 모이게 되어 전자는 이동할 수가 없게 됩니다.
MOSFET에서 또 중요한 개념 중 하나인 문턱전압(Threshold Voltage)는 채널이 형성되어 전류가 흐르기 시작하는 전압을 문턱전압이라고 합니다. 매우 중요한 개념입니다. MOSFET에서는 전류가 흐르기 위해서는 이 Threshold Voltage 이상의 전압을 인가해야 전류가 흐르게 됩니다.
이렇게 MOSFET의 기본구조와 동작원리에 대해서 살펴보았습니다. 다음에는 MOSFET의 동작원리와 특성들을 조금 더 자세하고 수식적으로, 그리고 회로에서도 살펴보도록 하겠습니다.
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