[MOSFET] MOSFET이란? (1)

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)은 전기장을 이용하여 전류를 제어하는 반도체 소자입니다. 현대 전자공학 및 집적회로 설계에서 광범위하게 사용되며, 고주파, 저전력, 고밀도 등 다양한 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다.

<<MOSFET과 BJT의 차이는 아래 포스트를 참고해주세요>>

https://blog.naver.com/circuit_design/223415484052

[트랜지스터]BJT VS FET 구분

트랜지스터 #Transistor #Mosfet #JFET #Emiiter #Base #Collector #Souce #Gate #Drain #양극...

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※1. MOSFET이란?

MOSFET은 "Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor"의 약자로, 반도체 장치 중 하나입니다. 이는 전력을 제어하고 전압을 증폭하는 데 사용됩니다. MOSFET은 다양한 전자기기와 시스템에서 중요한 역할을 합니다.

MOSFET의 주요 게이트(Gate), 소스(Source), 드레인(Drain)으로 구성된 터미널을 통해전압 차이를 조절함으로써 MOSFET은 전류를 제어합니다.

MOSFET은 주로 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 기술에서 사용되며, 이는 통합 회로(IC)에서 로직 게이트 및 기타 전자 기능을 구현하는 데 사용됩니다. MOSFET은 고속, 저전력 소비 및 뛰어난 신호 증폭 특성으로 유명합니다. 이는 현대 전자 기기의 핵심 구성 요소 중 하나로 자리 잡았습니다.

▶1. M-O-S FET

MOSFET의 M은 Metal(도체), O는 Oxide(절연체), S는 Semiconductor(반도체)를 의미하고 이렇게 3개의 형질의 물질이 층층이 쌓여서 FET(Feild Effect Transistor)를 구성한 것을 MOSFET이라고 합니다. 대학 시험이나 면접 질문에서 MOSFET의 Full Name을 자주 물어본다는 소문을 들은것 같아 한번더 강조하고 넘어갑니다.

▶2. 3 Terminal

: MOSFET에는 소자의 동작을 좌우하는 3개의 터미널 Gate-Source-Drain가 있습니다. (BJT의 경우 Emitter-Base-Collector )

[ 3 Terminal ]

- 게이트(Gate): 전류를 제어하는 곳

게이트는 MOSFET의 입력 단으로 작용합니다.
게이트 전압이 변경되면 채널에 있는 이동 전하의 수를 제어하여 MOSFET의 전도 특성을 조절합니다.
채널에 전자가 흐를지 결정합니다. 게이트에 양전하를 인가하면 채널이 형성되어 전류가 흐르게 되고, 음전하를 인가하면 채널이 차단되어 전류가 흐르지 않습니다.

- 소스(Source): 전류가 들어오는 곳

소스는 MOSFET의 출력 단으로 작용합니다.
소스는 채널에 있는 전자를 공급하고, 채널에서 나오는 전류를 수집합니다.
소스 전압은 채널의 전자 밀도와 전류를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

- 드레인(Drain): 전류가 나가는곳

드레인은 MOSFET의 출력 단으로 작용합니다.
드레인은 채널에서 나온 전자를 수집하고, 출력으로 전달합니다.
드레인 전압은 채널에 얼마나 많은 전자가 흐르는지에 영향을 미치며, 전체 MOSFET의 동작을 결정합니다.

▶3. 채널이란?

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)에서의 "채널(Channel)"은 전류가 흐르는 경로를 의미합니다. 채널은 MOSFET의 게이트(Gate)와 소스(Source) 사이에 형성되며, 게이트 전압의 변화에 따라 전류의 흐름이 제어됩니다.

일반적으로 MOSFET의 채널은 반도체 재료로 만들어진데, N 채널 MOSFET의 경우에는 양의 전압을 인가할 때 전자가 채널을 통해 소스에서 드레인(Drain)으로 흐르게 되고, P 채널 MOSFET의 경우에는 음의 전압을 인가할 때 전자가 채널을 통해 드레인에서 소스로 흐릅니다.

채널의 형성 및 전류의 흐름은 게이트 전압(VGS, Gate-to-Source Voltage)에 의해 결정됩니다. 게이트에 어떤 전압이 인가되느냐에 따라 채널이 형성되고, 따라서 전류의 흐름이 조절됩니다. MOSFET의 동작은 이 채널의 형성과 이동에 의존하며, 따라서 게이트 전압의 변화에 따라 전류가 제어되는 특성을 갖습니다.

▶4. MOSFET의 종류

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)의 종류는 일반적으로 첫째 극성과 두번째로Channel의 형성시기에 따라 네 가지 유형으로 분류됩니다.

극성은 형성되는 Channel의 극성에따라 N-Channel MOSFET(=NMOS), P-Chnnel MOSFET(=PMOS)로 나뉘고, 외부 Bias가 인가되기 전부터 Chnnel에 Channel 역할을 하는 층이 형성 되어 있는 경우(공정과정에서 형성시킴)는 Depletion Mode(공핍형), 외부 바이어스 인가전에는 없었지만 외부 바이어스를 인가하였을때 Channel이 형성되는 MOSFET을 Enhanced Mode(증가형) MOSFET이라고 합니다.

(Depletion Mode MOSFET은 이미 채널이 형성되어 있어서 기본적으로 전류가 흐릅니다. 따라서 게이트에 어떠한 전압을 인가하느냐에 따라 채널의 전도성이 감소하거나 증가하게 됩니다.)

1. Depletion Mode(=Normarlly On) N Channel MOSFET

: Depletion Mode N 채널 MOSFET은 N-Channel이 이미 형성되어 있어 기본적으로 "ON" 상태로 작동하는 MOSFET 유형입니다. 이것은 양의 게이트 전압이 인가되지 않아도 전류가 흐르는 특징을 갖고 있습니다.

구조: Depletion Mode N 채널 MOSFET은 일반적인 MOSFET 구조와 유사하게 소스(Source), 드레인(Drain), 게이트(Gate)로 구성되어 있습니다. 그러나 이 유형의 MOSFET은 보통 게이트와 채널 사이에 양극성 채널을 형성하는 물질로 만들어져 있습니다.
채널 형성: Depletion Mode N 채널 MOSFET은 게이트 전압이 인가되지 않아도 채널이 이미 형성되어 있습니다. 이 채널은 일반적으로 N 형 반도체 재료로 만들어져 있으며, 소스와 드레인 사이에 존재합니다.
전류 흐름: 채널이 이미 형성되어 있기 때문에, 소스와 드레인 사이의 전류가 기본적으로 흐릅니다. 이것은 "Normarlly On" 또는 "Depletion Mode"라고도 알려져 있습니다. 따라서 양의 게이트 전압이 인가되지 않으면 전류가 흐르는 상태가 됩니다.
게이트 제어: 게이트에 음의 전압을 인가하면 채널의 전도성이 감소하여 전류가 줄어듭니다. 따라서 Depletion Mode N 채널 MOSFET을 OFF 상태로 전환할 수 있습니다.
적용: Depletion Mode N 채널 MOSFET은 특히 전류가 이미 흐르는 상태가 필요한 응용에서 유용합니다. 이를테면, 고정 전류 소스나 스위치로 사용될 수 있습니다.

요약하면, Depletion Mode N 채널 MOSFET은 기본적으로 ON 상태로 작동하며, 음의 게이트 전압이 인가되어야 OFF 상태로 전환됩니다.

2. Depletion Mode (=Normarlly On) P Channel MOSFET

: Depletion Mode P 채널 MOSFET은 P-Chnnel이 이미 형성되어 있어 기본적으로 "ON" 상태로 작동하는 MOSFET 유형입니다. 이것은 음의 게이트 전압이 인가되지 않아도 전류가 흐르는 특징을 갖고 있습니다.

구조: Depletion Mode P 채널 MOSFET은 일반적인 MOSFET 구조와 유사하게 소스(Source), 드레인(Drain), 게이트(Gate)로 구성되어 있습니다. 그러나 이 유형의 MOSFET은 보통 게이트와 채널 사이에 음극성 채널을 형성하는 물질로 만들어져 있습니다.
채널 형성: Depletion Mode P 채널 MOSFET은 게이트 전압이 인가되지 않아도 채널이 이미 형성되어 있습니다. 이 채널은 일반적으로 P 형 반도체 재료로 만들어져 있으며, 소스와 드레인 사이에 존재합니다.
전류 흐름: 채널이 이미 형성되어 있기 때문에, 소스와 드레인 사이의 전류가 기본적으로 흐릅니다. 이것은 "Normarlly On" 또는 "Depletion Mode"라고도 알려져 있습니다. 따라서 음의 게이트 전압이 인가되지 않으면 전류가 흐르는 상태가 됩니다.
게이트 제어: 게이트에 양의 전압을 인가하면 채널의 전도성이 감소하여 전류가 감소합니다. 따라서 Depletion Mode P 채널 MOSFET을 OFF 상태로 전환할 수 있습니다.
적용: Depletion Mode P 채널 MOSFET은 특히 전류가 이미 흐르는 상태가 필요한 응용에서 유용합니다. 이를테면, 고정 전류 소스나 스위치로 사용될 수 있습니다.

요약하면, Depletion Mode P 채널 MOSFET은 기본적으로 ON 상태로 작동하며, 양의 게이트 전압이 인가되어야 OFF 상태로 전환됩니다.

3. Enhanced Mode(=Normarlly Off) N Channel MOSFET

: Enhanced Mode N 채널 MOSFET은 게이트 전압을 인가하여 채널을 형성하는 MOSFET의 한 유형입니다. 이 MOSFET은 주로 양극성 조건에서 동작하며, 양의 게이트 전압을 인가하여 전류가 흐를 수 있도록 채널을 형성합니다.

구조: Enhanced Mode N 채널 MOSFET은 일반적인 MOSFET 구조와 유사하게 소스(Source), 드레인(Drain), 게이트(Gate)로 구성되어 있습니다. 게이트와 소스 사이의 절연층 위에 게이트 전극이 있으며, 소스와 드레인은 반도체 재료로 만들어진 특정 영역입니다.
채널 형성: Enhanced Mode N 채널 MOSFET은 게이트에 양의 전압을 인가함으로써 채널을 형성합니다. 게이트에 양의 전압을 인가하면 절연층을 통해 게이트 전극에 전하가 축적되어, 채널 영역 아래의 반도체 재료에 전도성을 부여합니다. 이렇게 형성된 채널을 통해 소스에서 드레인으로 전류가 흐를 수 있습니다.
전류 흐름: 양의 게이트 전압이 인가되면 채널이 형성되어 전류가 소스에서 드레인으로 흐릅니다. 게이트에 인가된 전압이 채널의 전도성을 결정하므로, 게이트 전압을 조절하여 전류의 흐름을 제어할 수 있습니다.
게이트 제어: Enhanced Mode N 채널 MOSFET은 게이트 전압이 인가되어야만 채널이 형성되므로, 게이트 전압의 크기와 극성이 MOSFET의 동작을 결정합니다. 양의 게이트 전압이 인가되면 채널이 형성되어 전류가 흐르게 되지만, 음의 게이트 전압이 인가되면 채널이 차단되어 전류가 흐르지 않습니다.
적용: Enhanced Mode N 채널 MOSFET은 다양한 전자 기기와 시스템에서 사용됩니다. 특히 전력 관리 및 스위칭 응용에서 많이 사용되며, 전압 변환, 모터 제어, 배터리 관리 등 다양한 분야에서 활용됩니다.

요약하면, Enhanced Mode N 채널 MOSFET은 양의 게이트 전압을 인가하여 채널을 형성하고 전류가 흐를 수 있도록 하는 반도체 장치입니다. 게이트 전압의 인가에 따라 전류를 제어할 수 있어 다양한 응용에서 사용됩니다.

4. Enhanced Mode (=Normarlly Off) P Channel P MOSFET

: Enhanced Mode P 채널 MOSFET은 게이트 전압을 인가하여 채널을 형성하는 MOSFET의 한 유형입니다. 이 MOSFET은 주로 음극성 조건에서 동작하며, 음의 게이트 전압을 인가하여 전류가 흐를 수 있도록 채널을 형성합니다.

구조: Enhanced Mode P 채널 MOSFET은 일반적인 MOSFET 구조와 유사하게 소스(Source), 드레인(Drain), 게이트(Gate)로 구성되어 있습니다. 게이트와 소스 사이의 절연층 위에 게이트 전극이 있으며, 소스와 드레인은 반도체 재료로 만들어진 특정 영역입니다.
채널 형성: Enhanced Mode P 채널 MOSFET은 게이트에 음의 전압을 인가함으로써 채널을 형성합니다. 게이트에 음의 전압을 인가하면 절연층을 통해 게이트 전극에 전하가 축적되어, 채널 영역 아래의 반도체 재료에 전도성을 부여합니다. 이렇게 형성된 채널을 통해 소스에서 드레인으로 전류가 흐를 수 있습니다.
전류 흐름: 음의 게이트 전압이 인가되면 채널이 형성되어 전류가 소스에서 드레인으로 흐릅니다. 게이트에 인가된 전압이 채널의 전도성을 결정하므로, 게이트 전압을 조절하여 전류의 흐름을 제어할 수 있습니다.
게이트 제어: Enhanced Mode P 채널 MOSFET은 게이트 전압이 인가되어야만 채널이 형성되므로, 게이트 전압의 크기와 극성이 MOSFET의 동작을 결정합니다. 음의 게이트 전압이 인가되면 채널이 형성되어 전류가 흐르게 되지만, 양의 게이트 전압이 인가되면 채널이 차단되어 전류가 흐르지 않습니다.
적용: Enhanced Mode P 채널 MOSFET은 다양한 전자 기기와 시스템에서 사용됩니다. 특히 전력 관리 및 스위칭 응용에서 많이 사용되며, 전압 변환, 모터 제어, 배터리 관리 등 다양한 분야에서 활용됩니다.

요약하면, Enhanced Mode P 채널 MOSFET은 음의 게이트 전압을 인가하여 채널을 형성하고 전류가 흐를 수 있도록 하는 반도체 장치입니다. 게이트 전압의 인가에 따라 전류를 제어할 수 있어 다양한 응용에서 사용됩니다.

(단순하게 이러종류가 있고 이런 구분을 가진다는 것만 알아두고 다음 원리를 통해 이해해보세요

※2. 3가지 동작영역 (3-Mode Region)

▶1. Cut Off (=차단) Mode:

Cut-off 모드에서는 게이트-소스 사이의 전압이 임계치 미만이므로 MOSFET가 Off(SW off) 상태입니다.
이때는 채널이 형성되지 않아 전류가 거의 흐르지 않습니다.
게이트에는 어떤 전하도 축적되지 않습니다.

▶2. Active (=활성) Mode:

활성 모드에서는 게이트-소스 사이의 전압이 충분히 높아서 MOSFET가 채널을 형성하고 전류가 흐릅니다.(SW on)
게이트에 충분한 전압이 가해져서 채널이 형성되고, 그 결과로 채널을 통해 전류가 흐릅니다.
드레인-소스 간 전류가 선형적으로 증가합니다.

▶3. Saturation (=포화) Mode:

드레인-소스 전류가 VDS에 거의 영향을 받지 않고 포화됩니다.( 단 아에 증가하지 않는 것이 아니라 조금씩 증가합니다. BJT의 경우 아에 증가하지 않습니다.)
최대 IDS로 흐릅니다.

※3. MOSFET 구동 원리

▶1. Depletion Mode(=Normarlly On) N Channel MOSFET

1. 평형 상태 (Vg = 0)

- Depletion Mode N 채널 MOSFET은 초기에 어떠한 게이트 전압도 인가되지 않은 상태입니다.

- 양의 게이트 전압(VGS)이 인가되지 않은 경우, 채널의 전도성은 변하지 않습니다. 따라서 전류가 계속해서 흐릅니다.

2. 음의 게이트 전압 인가 (Vg < 0):

- 음의 게이트 전압이 인가되면 게이트-소스 간의 전위차가 증가하고, 이는 채널의 전도성을 감소시킵니다.

- 게이트-소스 전압이 일정 수준 아래로 감소하면 채널의 전도성이 충분히 감소하여 전류가 차단됩니다.

3. 양의 게이트 전압 인가 (Vg > 0):

-게이트 전압이 다시 양으로 증가하면, 채널의 전도성이 다시 증가하여 전류가 다시 흐르게 됩니다.

이때 전류는 게이트 전압의 크기와 함께 증가합니다.

-따라서 Depletion Mode N 채널 MOSFET은 양의 게이트 전압이 인가되지 않아도 채널이 형성되어 있어서 전류가 흐르는 상태이며, 음의 게이트 전압이 인가되면 채널의 전도성이 감소하여 전류가 차단됩니다. 게이트 전압의 변화에 따라 전류의 흐름을 제어할 수 있습니다.

▶2. Depletion Mode(=Normarlly On) P Channel MOSFET

1. 초기 상태 (Vg = 0):

- Depletion Mode P 채널 MOSFET은 초기에 어떠한 게이트 전압도 인가되지 않은 상태입니다.

- 음의 게이트 전압(VGS)이 인가되지 않은 경우, 채널의 전도성은 변하지 않습니다. 따라서 전류가 계속해서 흐릅니다.

2. 음의 게이트 전압 인가 (Vg < 0):

- 음의 게이트 전압이 인가되면 게이트-소스 간의 전위차가 증가하고, 이는 채널의 전도성을 증가시킵니다.

- 게이트-소스 전압이 일정 수준 아래로 감소하면 채널의 전도성이 충분히 증가하여 전류가 흐르게 됩니다.

3. 양의 게이트 전압 인가 (Vg > 0):

- 게이트 전압이 다시 음으로 증가하면, 채널의 전도성이 감소하여 전류가 줄어듭니다.

- 이때 전류는 게이트 전압의 크기와 함께 감소합니다.

▶3. Enhanced Mode N Channel P MOSFET

1. 초기 상태 (Vg = 0):

- Enhanced Mode N 채널 MOSFET은 초기에 어떠한 게이트 전압도 인가되지 않은 상태입니다.

채널은 소스와 드레인 사이에 형성되어 있지 않으므로 전류가 흐르지 않습니다.

2. 양의 게이트 전압 인가 (Vg >> 0):

- 양의 게이트 전압(VGS)이 인가되면 게이트와 소스 사이의 전위차가 증가하고, 이는 채널의 전도성을 활성화합니다.

- 채널의 전도성이 활성화되면 채널이 형성되어 소스에서 드레인으로 전류가 흐르게 됩니다.

3. 양의 게이트 전압 감소 (Vg > 0):

- 게이트 전압이 다시 감소하면, 채널의 전도성도 감소하게 됩니다.

- 채널의 전도성이 충분히 감소하면 소스와 드레인 사이의 전류가 차단됩니다.

4. 양의 게이트 전압 유지 (Vg > 0):

-양의 게이트 전압이 계속 유지되면 채널의 전도성도 유지됩니다. 따라서 전류가 계속해서 흐릅니다.

5. 음의 게이트 전압 인가 (Vg < 0):

-만약 음의 게이트 전압이 다시 인가되면, 채널의 전도성이 감소하여 전류가 차단됩니다.

▶4. Enhanced Mode P Channel P MOSFET

1. 초기 상태 (Vg = 0):

- Enhanced Mode P 채널 MOSFET은 초기에 어떠한 게이트 전압도 인가되지 않은 상태입니다.

- 채널은 소스와 드레인 사이에 형성되어 있지 않으므로 전류가 흐르지 않습니다.

2. 음의 게이트 전압 인가 (Vg << 0):

- 음의 게이트 전압(VGS)이 인가되면 게이트와 소스 사이의 전위차가 증가하고, 이는 채널의 전도성을 활성화합니다.

- 채널의 전도성이 활성화되면 채널이 형성되어 소스에서 드레인으로 전류가 흐르게 됩니다.

3. 음의 게이트 전압 감소 (Vg < 0):

- 게이트 전압이 다시 감소하면, 채널의 전도성도 감소하게 됩니다.

-채널의 전도성이 충분히 감소하면 소스와 드레인 사이의 전류가 차단됩니다.

4. 음의 게이트 전압 유지 (Vg < 0):

- 음의 게이트 전압이 계속 유지되면 채널의 전도성도 유지됩니다. 따라서 전류가 계속해서 흐릅니다.

5. 양의 게이트 전압 인가 (Vg > 0):

- 만약 양의 게이트 전압이 다시 인가되면, 채널의 전도성이 감소하여 전류가 차단됩니다.

※4. Symbol

: 참고로 반도체공정에서는 웨이퍼쪽 단자를 Substrate로 표현하지만 회로 설계 같은 분야에서는 Subtrate라는 표현 대신 Body라는 표현을 더 많이 사용합니다.

이상으로 MOSFET에 대한 이론 설명을 마치겠습니다. 속편으로 MOSFET 공정과정, MOSFET 특성 곡선에 대한 포스트도 남길예정입니다.

추후 BJT에 대한 설명도 업로드 할 예정 입니다. 미래에 계신 분들은 비교하면서 보시길 추전드립니다.

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