[MOSFET] 기생 다이오드,바디 다이오드

기생다이오드

MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)은 게이트, 소스, 드레인으로 이루어진 전계효과 트랜지스터입니다. 하지만 MOSFET의 내부 구조를 자세히 살펴보면 의도치 않게 생성된 '기생 다이오드'가 존재한다는 사실을 알게 됩니다

기생 다이오드의 생성 원리

MOSFET은 기본적으로 N+로 도핑된 소스/드레인 영역과 P형 웰 또는 P형 바디(기판)로 구성됩니다. 제조 공정 중에 이 N+ 영역과 P 웰/바디 사이에 P-N 접합이 자연스레 형성되게 됩니다. 이렇게 형성된 P-N 접합에 의해 NMOS의 경우 소스에서 드레인 방향으로, PMOS의 경우 드레인에서 소스 방향으로 다이오드가 기생적으로 만들어지는 것입니다. 이를 바디 다이오드, 벌크 다이오드, 기생 다이오드라고 부릅니다.

기생 다이오드의 장단점

MOSFET 설계 초기에는 기생 다이오드가 원치 않는 파라사이트 현상으로 여겨졌지만, 이를 적절히 활용하면 회로 설계에 큰 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어 인덕터 부하를 구동할 때, MOSFET 스위치가 OFF 될 때 발생하는 과도 전압 스파이크로부터 MOSFET을 보호하는 역할을 합니다. 이때 기생 다이오드가 순방향 바이어스되어 전류 경로를 형성함으로써 MOSFET을 과전압으로부터 보호하게 되는 것입니다.

 

하지만 기생 다이오드는 일반 PN 다이오드이기 때문에 역회복 시간이 길어 고속 스위칭 시에는 스위칭 손실이 커질 수 있습니다.

 

이러한 경우에는 별도의 고속 스위칭 특성을 갖는 쇼트키 다이오드를 병렬로 연결하여 스위칭 손실을 줄일 수 있습니다. 또한 리니어 증폭기와 같이 리니어 동작을 위한 MOSFET에서는 기생 다이오드가 제거되기도 합니다.

기생 다이오드, 역극성 보호 회로

기생 다이오드에는 또 다른 유용한 활용 방안이 있는데, 그것은 바로 역극성 보호 회로입니다. 때로 배터리를 역 삽입하는 실수가 있을 수 있습니다. 이러한 상황에서 기생 다이오드가 회로를 보호하는 중요한 역할을 합니다

기생 다이오드가 없을 때

여기 PMOS를 사용한 간단한 역극성 보호 회로가 있습니다. 만약 사용자가 배터리를 잘못 연결하여 -12V가 인가되었다면, PMOS의 기생 다이오드는 역방향 전압이 인가되어 차단 상태가 될 것입니다. 또한 게이트-소스 전압(VGS) 역시 0V이므로 PMOS 자체도 꺼진 상태가 되어, 출력 전압은 안전하게 0V를 유지할 수 있습니다

 

 

 

기생 다이오드의 활용

그러나 배터리를 정상적으로 +12V로 연결했다면 어떨까요? 이번에는 기생 다이오드 덕분에 PMOS의 게이트-소스 전압이 0.7V가 인가되어 PMOS가 켜지게 됩니다. 이때 PMOS의 드레인-소스 내부 저항(Ron)은 매우 작기 때문에 주 전류 경로가 되고, 기생 다이오드는 무시할 수 있는 상태가 됩니다.

가령 Ron이 100mΩ이고 부하 전류가 1A라고 가정하면, 100mV 정도의 작은 전압 강하만 발생할 뿐 출력 전압은 11.9V 수준이 되어 회로가 정상적으로 동작하게 됩니다.

이와 같이 기생 다이오드를 적절히 활용하면 간단하면서도 효과적인 역극성 보호 회로를 구현할 수 있습니다.