[MOSFET] Channel Pinch-Off

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Channel Pinch-Off

MOSFET에서 게이트 전극에 문턱전압보다 높은 전압을 인가하고, 드레인 전압을 점차 증가시키면 독특한 현상이 발생합니다. 이를 핀치오프(Pinch-off) 현상이라고 합니다.

핀치오프 현상의 원인

MOSFET의 구조적 특성 때문입니다. 반도체 기판(p-sub)과 n+ 소스/드레인 영역은 PN 접합으로 볼 수 있습니다. 보통 반도체 기판은 GND(0V)로 연결되어 있고, 드레인 영역에는 양의 전압을 인가하므로 PN 접합에는 역바이어스가 걸리게 됩니다.

역바이어스 상태에서는 PN 접합 부근의 공핍층(Depletion region) 영역이 커지게 됩니다. 이 공핍층이 점점 확장되면서 소스-드레인 사이의 채널 영역을 막아버리는 현상이 바로 핀치오프입니다.

핀치오프가 일어나면 전류 특성에 변화가 생깁니다. 전류(I)는 캐리어 농도(n)와 전압(V)에 비례하는데, 핀치오프로 인해 채널의 캐리어 농도가 줄어들게 되므로 전류도 감소하게 됩니다. 따라서 드레인-소스 전압(VDS)을 증가시켜도 드레인 전류는 포물선 형태로 증가하는 비선형 특성을 보입니다.

그렇다면 드레인 전압을 계속 높여서 채널 길이가 극단적으로 짧아지면 어떻게 될까요? 이론상으로는 채널이 완전히 없어져 전류가 흐르지 않아야 합니다. 하지만 실제로는 그렇지 않습니다.

공핍층에 의해 채널이 아주 짧아져도, 공핍층에 강한 전계가 형성되어 있기 때문에 이 전계에 의해 전자가 드레인 방향으로 끌려가게 됩니다. 이렇게 흐르는 전류를 PN 접합의 역방향 포화전류라고 합니다.

결과적으로 드레인 전압을 계속 높여도 전류 값은 일정한 포화 상태를 유지하게 되는데, 이를 포화(Saturation) 영역이라고 합니다. 포화 영역에서는 드레인 전류가 게이트 전압에 의해서만 제어되는 특성을 보입니다.

이처럼 MOSFET에서는 핀치오프 현상과 포화 영역이 나타나는데, 이는 MOSFET의 비선형 전류-전압 특성과 관련이 있습니다.

요약

원인 설명
반도체 기판(p-sub)과 n+ 영역은 PN 접합
반도체 기판은 GND로 연결되어 있고, 드레인(n+ 영역)에 (+)전압을 인가하면 PN 접합에 역바이어스 상태
역바이어스 상태에서 공핍층(Depletion region)의 영역이 커짐
공핍층이 채널 영역을 점차 막게 되면서 전류의 양이 더 이상 증가X

전류 특성
전류(I)는 캐리어 농도(n)와 전압(V)에 비례
핀치오프 현상 발생 시 채널의 캐리어 농도가 줄어들어 전류가 감소
따라서 드레인-소스 전압(VDS) 증가에 따라 드레인 전류가 포물선 형태로 증가

포화(Saturation) 영역
드레인 전압을 계속 높이면 채널 길이가 점점 짧아지지만 전류는 완전히 차단되지 X
공핍층의 강한 전계에 의해 전자가 드레인으로 흐르는 역방향 포화전류가 발생
이 영역에서 드레인 전류는 일정한 값을 유지하게 되는데, 이것이 포화 영역