[MOSFET]

금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터( MOSFET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor )는 디지털/아날로그 회로에서 가장 일반적으로 사용되는 전계효과 트랜지스터(FET)입니다.

MOSFET은 N형 또는 P형 반도체 재료로 이루어진 채널로 구성되어 있습니다. 채널 재료에 따라 NMOSFET, PMOSFET로 분류되며, 두 가지를 모두 가진 소자를 상보형 MOSFET(CMOSFET)라고 합니다.

FET 란?

전계 효과 트랜지스터로, 트랜지스터와 함께 스위칭, 증폭, 발진 등의 기능을 수행합니다. 게이트 전극에 전압을 인가하면 전계 효과에 의해 게이트 아래 반도체 영역의 저항을 조절하여 전류를 제어합니다.

FET은 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극 총 3개의 전극으로 구성되어 있습니다.

• 게이트 전극: 전압 인가
• 소스 전극: 전류를 운반하는 캐리어 공급
• 드레인 전극: 소스에서 공급된 캐리어를 다음 단계로 방출

MOSFET의 구조

게이트 전극에 전압을 인가하면 게이트 아래 유전막(산화물)에 전계가 발생합니다.
이 전계에 의해 소스-드레인 사이 반도체 영역의 저항을 조절할 수 있습니다.

게이트 전압을 조절하여 반도체 영역에서 전류가 흐르는 채널의 크기와 소스/드레인-게이트 사이 전압을 변화시킬 수 있습니다.

게이트 전압이 문턱전압보다 크면 전류가 흐르고, 작으면 전류가 흐르지 않습니다.

- 게이트 전압 > 문턱전압: 전류가 흐름

- 게이트 전압 < 문턱전압: 전류가 흐르지 않음

(MOSFET)는 모스 축전기에 의한 전하농도의 변화에 기초를 두고 있다. 두 개의 단자(소스와 드레인)는 각각 분리되어 고농도로 도핑된 영역에 연결되어 있다. 이런 영역은 P형이나 N형이 될 수 있지만 두 개는 반드시 동일한 형태이어야 합니다

고농도 도핑 영역은 일반적으로 도핑 형태에 따라서 '+'로 표시된다. 이 두 영역은 이와 반대 형(type)으로 도핑된, 몸체라고 알려진, 영역에 의하여 분리되어 있다. 이 영역은 고농도 도핑이 아니며 '+' 기호가 없다. 활성 영역은 모스 축전기를 구성하며 세 번째 전극, 즉 게이트가 되어 몸체 위에 있으며 산화층에 의해 다른 모든 영역과 절연되어 있습니다

MOSFET의 종류

MOSFET의 동작 원리는 MOS 축전기에 의한 전하 농도 변화에 기초합니다. 소스/드레인은 고농도 도핑 영역(+ 표시)이고, 이 영역들은 반대 타입으로 도핑된 몸체 영역에 의해 분리되어 있습니다. 게이트는 몸체 위에 있는 세 번째 전극입니다.

 

MOSFET의 종류

NMOS: 반전층이 n-type인 경우
PMOS: 반전층이 p-type인 경우
증가형(Enhancement, Normally off): 게이트 전압 인가 전 채널이 형성되어 있지 않음
공핍형(Depletion, Normally on): 게이트 전압 인가 전 채널이 미리 형성되어 있음 (증가형과 동일 구조, 제조 과정에서 채널 미리 형성되는 차이)

 

MOSFET의 동작원리

MOSFET의 동작원리는 NMOS PMOS에서 전류와 전압의 극성이 반대가 되는 것을 제외하고는 동일합니다.

 

MOS 구조는 게이트 전압에 따라 축적(accumulation), 공핍(depletion), 반전(inversion)의 세 가지 동작상태를 보입니다.

 

게이트에서 형성된 전계는 소스와 드레인 사이에 채널을 형성합니다. 채널을 통해 소스에서 드레인으로 전자가 넘어가 전류의 흐름을 만들어 냅니다. 이때 채널에 따라 채널을 형성해야 하는 증가MOSFET, 채널이 미리 만들어져 있는 공핍형 MOSFET으로 나누어집니다.

 

MOSFET에서 채널은 매우 중요한 역할을 합니다. 채널 길이가 짧을수록 소자의 크기가 작아져 집적도를 높일 수 있기 때문입니다. 따라서 현재 반도체 산업에서는 채널 길이를 줄이면서도 잘 형성할 수 있는 방안이 주요 과제 중 하나입니다.

 

 

MOSFET의 전류 및 전압 특성에 대해 살펴보면

전류(전압)의 방향

전류는 소스-드레인 사이 채널 영역을 통해서만 흐릅니다.
소스, 드레인과 기판 사이의 PN 접합은 항상 역방향 상태를 유지해야 합니다.
이를 위해 NMOS는 p-type 기판에 0V 또는 (-) 전압, PMOS는 n-type 기판에 (+) 전압을 인가합니다.

전압의 크기

게이트 전압이 문턱전압 이상이 되면 소스-드레인 사이에 채널이 형성됩니다.
이후 드레인에 전압을 인가하면 소스-드레인 사이에 전류가 흐릅니다.
NMOS 증가형은 Vth > 0, PMOS 증가형은 Vth < 0입니다.

전류-전압(I-V) 특성

증가형 MOSFET은 게이트 전압에 따라 OFF(차단) 상태와 ON(도통) 상태로 구분됩니다.
ON 상태에서는 드레인 전압의 크기에 따라 포화 영역과 비포화 영역으로 나뉩니다.

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아래는 MOSFET의 세 가지 동작을 식으로 나타냅니다

 

차단(Cut off) 영역

조건: 게이트-소스 전압(VGS) < 문턱전압(VT)
게이트 전압이 문턱전압에 미치지 못해 채널이 형성되지 않습니다.
캐리어 이동이 없어 전류가 흐르지 않는 상태입니다.
다만 실제 소자에서는 미약한 누설 역전류(subthreshold leakage)가 존재할 수 있습니다.

트라이오드(Triode) 영역

조건: VT < VGS, VT < VGD
게이트-소스, 게이트-드레인 전압이 모두 문턱전압을 넘어서 채널이 형성됩니다.
드레인 전압 증가에 따라 드레인 전류도 증가하는 상태입니다.
이 영역에서 트랜지스터의 동작이 켜지게(ON) 됩니다.

포화(Saturation) 영역

조건: VT < VGS, VT > VGD
게이트-소스 전압은 문턱전압보다 높지만 게이트-드레인 전압은 문턱전압보다 낮습니다.
드레인 전압이 게이트 전압보다 높아지면서 핀치오프(pinch off) 현상이 발생합니다.
핀치오프로 인해 채널의 일부분이 없어지면서 전류가 포화됩니다.
이 영역에서 드레인 전류는 게이트 전압에 의해서만 영향을 받게 됩니다.

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