MOSFET 구성, 동작, Drain 전류

1. MOSFET의 구성

○ MOSFET은 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor로 금속, 산화막, 단도체로 이루어진 전계 트랜지스터입니다. 또한 Source, Drain, Gate, Body 네 개의 단자로 이뤄져 있습니다.

1) Gate

○ Metal로 이뤄진 전도성 판으로 채널 형성을 조절하는 역할을 합니다.

○ 초기 MOSFET 제작 당시 Gate는 Metal로 이뤄져 있었느냐 Metal을 사용 시 공정 상 고온 공정을 할 수 없어 Poly 전극으로 대체되었습니다. 그리고 현재는 반도체의 동작전압 문제로 다시 Metal을 사용하고 있습니다.

○ Gate를 이용해 캐리어 채널을 형성시켜 전류를 흐르게 합니다. 즉 스위치 역할을 합니다.

2) Source/Drain

○ Nmos 기준으로 고농도 N+으로 도핑되어 있으며, 캐리어를 공급하는 Source, 캐리어를 받아들이는 Drain으로 구성됩니다.

○ 반대로 Pmos의 경우 P+로 도핑되어 있습니다.

3) Body

○ N-Type의 경우 P-type으로 P-type의 경우 N-type으로 도핑되어 있습니다.

○ 다시말해 Source/Drain과 반대되는 type으로 도핑되어 있다고 생각하시면 됩니다.

○ Body는 Source와 같은 값을 인가합니다.

○ Body에 전극을 사용하는 이유는 서로 다른 Type으로 도핑된 Source와 Body 사이에 PN 접합처럼 전류가 흐를 수 있기 때문입니다.

○ 예를 들어 N-type MOSFET의 경우 Source는 N-type으로 Body는 P-type으로 도핑되어 있습니다. 이때 전극이 연결되지 않은 Body가 Source보다 전압이 높을 때(N-type에 마이너스 전압이 인가되었을 때) PN 다이오드 동작 모드와 같게 됩니다. 이에 누설 전류가 생길 수 있습니다.

○ 이러한 이유로 Body와 Source를 묶어서 같은 값은 인가하게 됩니다.

2. MOSFET 동작

1) Cut off

○ Vth > Vgs인 상태로 채널이 형성되지 않아 전류가 흐르지 않는 상태입니다.

2) Triode(=Linear)

○ Vgs > Vth이며, Vgs-Vth > Vds 인 상태입니다.

○ 채널이 형성되어 Id가 흐릅니다.

○ Vds 값이 증가할수록 Id가 증가합니다.

○ Vgs에 +전압 인가시 Oxide와 P-type 반도체가 접촉하는 부분에 전자가 모이게되고 해당 부분이 음 이온화되어 N 채널이 형성됩니다.

○ 이는 그림 (a)와 그림 (b)에서 확인할 수 있습니다.

3) Saturation(포화)

○ Vgs > Vth이지만, Vds > Vgs-Vth인 상태입니다.

○ Vds = Vgs-Vth 일 때 Pinch off(핀치 오프) 현상이 발생하게 되는데, 이 시점부터 Vds의 값을 높여도 Ids 값이 증가하지 않습니다. 즉 Saturation 상태에 들어가는 것을 확인할 수 있습니다.

○ 이는 그림 (c)와 그림 (d)에서 확인할 수 있습니다.

 

3. MOSFET 전류 공식

1) Linear=Triode 영역

○ Id = µnCox"  W/L [(Vgs-Vth) - 1/2 Vds]∗Vds

2) Saturation 영역

○ Id ="  1/2 µnCox  W/L (Vgs-Vth)^2

3) 설명

○ Id = Drain 전류입니다.

○ µn = 전자의 이동도입니다. 반대로 홀의 이동도는 µp로 적습니다.

○ Cox = oxide의 cap 값입니다.

○ W = 채널의 Width입니다.

○ L = 채널의 Length입니다.

○ 따라서 드레인 전류는 채널의 Width가 클수록, Length가 짧을수록, Oxide의 Cap 값이 클수록, 전자 이동도가 클수록 커지는 현상을 갖고 있습니다.