MOSFET

 

MOSFET

금속 산화물 FET는 JFET와 동일하게 작동하지만 전도성 채널로부터 전기적으로 절연된 게이트 단자를 가지고 있습니다.

JFET(Junction Field Effect Transistor) 외에도 게이트 입력이 주 전류 전달 채널로부터 전기적으로 절연된 또 다른 유형의 전계 효과 트랜지스터가 있습니다. MOSFET은 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터(Insulated Gate Field Effect Transistor) 라고 불리는 일종의 반도체 장치입니다 .

다양한 유형의 전자 회로에 사용되는 가장 일반적인 유형의 절연 게이트 FET를 줄여서 MOSFET 이라고 합니다 .

IGFET 또는 MOSFET은 매우 얇은 절연 재료 층에 의해 주 반도체 n채널 또는 p채널로부터 전기적으로 절연되는 "금속 산화물" 게이트 전극을 가지고 있다는 점에서 JFET와 다른 전압 제어 전계 효과 트랜지스터입니다. 일반적으로 유리로 알려진 이산화규소.

이 초박형 절연 금속 게이트 전극은 커패시터의 한 판으로 생각할 수 있습니다. 제어 게이트의 절연으로 인해 MOSFET의 입력 저항이 메가 옴( MΩ ) 영역 에서 매우 높아져 거의 무한해집니다.

 

게이트 단자가 드레인과 소스 사이의 주 전류 전달 채널로부터 전기적으로 절연되어 있으므로 "게이트로 전류가 흐르지 않습니다." JFET와 마찬가지로 MOSFET도 전류가 주 채널을 통해 흐르는 전압 제어 저항기처럼 작동합니다. 드레인과 소스 사이의 전압은 입력 전압에 비례합니다. 또한 JFET와 마찬가지로 MOSFET의 매우 높은 입력 저항은 많은 양의 정전하를 쉽게 축적하여 주의 깊게 다루거나 보호하지 않으면 MOSFET이 쉽게 손상될 수 있습니다.

이전 JFET 튜토리얼과 마찬가지로 MOSFET은 게이트 , 드레인 및 소스가 있는 3개의 단자 장치 이며 P채널(PMOS) 및 N채널(NMOS) MOSFET을 모두 사용할 수 있습니다. 이번에 가장 큰 차이점은 MOSFET이 두 가지 기본 형태로 제공된다는 점입니다.

• 공핍 유형 - 트랜지스터는 장치를 "OFF"로 전환하기 위해   게이트-소스 전압( V GS )이 필요합니다. 공핍 모드 MOSFET은 "정상 폐쇄" 스위치와 동일합니다.
• 강화 유형   - 트랜지스터는 장치를 "ON"으로 전환하기 위해 게이트-소스 전압( V GS )이 필요합니다. 강화 모드 MOSFET은 "Normal Open" 스위치와 동일합니다.

두 가지 MOSFET 구성에 대한 기호와 기본 구성은 다음과 같습니다.

위의 4개 MOSFET 기호는 기판 이라는 추가 단자를 보여 주며 일반적으로 입력 또는 출력 연결로 사용되지 않지만 대신 기판을 접지하는 데 사용됩니다. MOSFET의 본체 또는 금속 탭에 대한 다이오드 접합을 통해 주 반도체 채널에 연결됩니다.

일반적으로 개별형 MOSFET에서 이 기판 리드는 내부적으로 소스 단자에 연결됩니다. 이런 경우에는 개선 유형과 마찬가지로 설명을 위해 기호에서 생략됩니다.

드레인(D)과 소스(S) 연결 사이의 MOSFET 기호 선은 트랜지스터 반도체 채널을 나타냅니다. 이 채널 라인이 끊어지지 않은 실선인 경우 드레인 전류가 제로 게이트 바이어싱 전위로 흐를 수 있으므로 "공핍"(정상적으로 ON) 유형 MOSFET을 나타냅니다.

채널 라인이 점선이나 점선으로 표시되면 게이트 전위가 0인 상태에서 드레인 전류가 0으로 흐르기 때문에 "향상"(정상적으로 OFF) 유형 MOSFET을 나타냅니다. 이 채널 라인을 가리키는 화살표 방향은 전도성 채널이 P형 반도체 소자인지 N형 반도체 소자인지를 나타냅니다.

기본 MOSFET 구조 및 기호

금속 산화물 반도체 FET의 구성은 Junction FET의 구성과 매우 다릅니다. 공핍형 및 강화형 MOSFET은 모두 게이트 전압에 의해 생성된 전기장을 사용하여 반도체 드레인-소스 채널을 통해 전하 캐리어(n채널용 전자, P채널용 정공)의 흐름을 변경합니다. 게이트 전극은 매우 얇은 절연층 위에 배치되며, 드레인 및 소스 전극 바로 아래에 한 쌍의 작은 n형 영역이 있습니다.

우리는 이전 튜토리얼에서 접합 전계 효과 트랜지스터인 JFET의 게이트가 pn 접합을 역바이어스하는 방식으로 바이어스되어야 한다는 것을 보았습니다. 절연 게이트 MOSFET 장치에는 이러한 제한이 적용되지 않으므로 MOSFET의 게이트를 양극( +ve ) 또는 음극( -ve ) 극성으로 바이어스할 수 있습니다.

MOSFET 장치는 바이어스가 없으면 일반적으로 비전도성이고 게이트 입력 저항이 높다는 것은 MOSFET이 전압 제어 장치이므로 제어 전류가 거의 또는 전혀 필요하지 않음을 의미하므로 MOSFET 장치를 전자 스위치로 사용하거나 논리 게이트를 만드는 데 특히 유용합니다. p채널 및 n채널 MOSFET은 모두 향상 유형과 공핍 유형의 두 가지 기본 형태로 제공됩니다.

 

공핍 모드 MOSFET

향상 모드 유형보다 덜 일반적인 공핍 모드 MOSFET은 일반적으로 게이트 바이어스 전압을 인가하지 않고도 "ON"(도통)으로 전환됩니다. 이는 VGS =  0 일 때 채널이 전도되어 "정상적으로 닫힌" 장치가 된다는 것입니다. 공핍 MOS 트랜지스터에 대해 위에 표시된 회로 기호는 일반적으로 닫힌 전도성 채널을 나타 내기 위해 실선 채널 라인을 사용합니다.

n-채널 공핍 MOS 트랜지스터의 경우 음의 게이트-소스 전압인 -V GS는 트랜지스터를 "OFF"로 전환하는 자유 전자의 전도성 채널을 고갈시킵니다(따라서 이름). 마찬가지로 p-채널 공핍 MOS 트랜지스터의 경우 양의 게이트-소스 전압인 경우 +V GS는 자유 정공의 채널을 고갈시켜 이를 "OFF"로 만듭니다.

즉, n채널 공핍 모드 MOSFET의 경우 +V GS는 더 많은 전자와 더 많은 전류를 의미합니다. -V GS는 더 적은 전자와 더 적은 전류를 의미합니다. p-채널 유형의 경우에도 반대가 적용됩니다. 그러면 공핍 모드 MOSFET은 "정상 폐쇄" 스위치와 동일합니다.

공핍 모드 N-채널 회로 기호

공핍 모드 MOSFET은 JFET 트랜지스터와 유사한 방식으로 구성됩니다. 즉, 드레인 소스 채널은 본질적으로 n형 또는 p형 채널 내에 이미 존재하는 전자 및 정공과 전도성이 있습니다. 이러한 채널 도핑은 게이트 바이어스 가 0인 드레인 과 소스 사이 에 낮은 저항의 전도 경로를 생성합니다 .

강화 모드 MOSFET

보다 일반적인 강화 모드 MOSFET 또는 eMOSFET는 공핍 모드 유형의 반대입니다. 여기서 전도성 채널은 약하게 도핑되거나 심지어 도핑되지 않아 비전도성이 됩니다. 이로 인해 게이트 바이어스 전압 VGS 가 0 일 때 장치는 일반적으로 "OFF"(비도통) 상태가 됩니다 . 강화 MOS 트랜지스터에 대해 위에 표시된 회로 기호는 일반적으로 열려 있는 비전도성 채널을 나타내기 위해 깨진 채널 라인을 사용합니다.

n채널 강화 MOS 트랜지스터의 경우 드레인 전류는 게이트 전압( V GS )이 컨덕턴스가 발생하는 임계 전압( V TH ) 레벨보다 큰 게이트 단자에 인가되어 트랜스컨덕턴스 장치가 되는 경우에만 흐릅니다.

n형 eMOSFET에 양( +ve ) 게이트 전압을 적용하면 게이트 주변의 산화물 층 쪽으로 더 많은 전자를 끌어당겨 더 많은 전류가 흐를 수 있도록 채널의 두께를 늘리거나 향상(따라서 이름 지정)합니다. 게이트 전압을 인가하면 채널이 강화되기 때문에 이런 종류의 트랜지스터를 강화 모드 소자라고 부르는 이유도 여기에 있습니다.

이 양의 게이트 전압을 높이면 채널 저항이 더욱 감소하여 채널을 통과 하는 드레인 전류 I D 가 증가하게 됩니다 . 즉, n채널 향상 모드 MOSFET의 경우 +V GS는 트랜지스터를 "ON"으로 설정하고 0 또는 -V GS 는 트랜지스터를 "OFF"로 설정합니다. 따라서 강화 모드 MOSFET은 "정상 개방" 스위치와 동일합니다.

p채널 강화 MOS 트랜지스터의 경우에는 그 반대입니다. V GS  = 0 이면 장치는 "OFF"이고 채널은 열려 있습니다. p형 eMOSFET에 음( -ve ) 게이트 전압을 적용하면 채널 전도성이 향상되어 이를 "ON"으로 전환합니다. 그런 다음 p-채널 향상 모드 MOSFET의 경우: +V GS는 트랜지스터를 "OFF"로 설정하고 -V GS 는 트랜지스터를 "ON"으로 설정합니다.

향상 모드 N 채널 회로 기호

강화 모드 MOSFET은 낮은 "ON" 저항과 매우 높은 "OFF" 저항뿐만 아니라 절연 게이트로 인한 무한히 높은 입력 저항으로 인해 우수한 전자 스위치를 만듭니다. 강화 모드 MOSFET은 PMOS(P 채널) 및 NMOS(N 채널) 게이트 형태의 CMOS 유형 논리 게이트 및 전력 스위칭 회로를 생성하기 위해 집적 회로에 사용됩니다. CMOS는 실제로 Complementary MOS 의 약자로 논리 장치의 설계 내에 PMOS와 NMOS가 모두 포함되어 있음을 의미합니다.

MOSFET 증폭기

이전 접합 전계 효과 트랜지스터와 마찬가지로 MOSFET은 가장 널리 사용되는 회로인 강화 모드 n채널 MOSFET 공통 소스 증폭기를 사용하여 단일 스테이지 클래스 "A" 증폭기 회로를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 공핍 모드 MOSFET 증폭기는 MOSFET의 입력 임피던스가 훨씬 높다는 점을 제외하면 JFET 증폭기와 매우 유사합니다.

이 높은 입력 임피던스는 R1 과 R2 로 형성된 게이트 바이어싱 저항 네트워크에 의해 제어됩니다 . 또한 V G 가 낮을 때 트랜지스터가 "OFF"로 전환되고 V D (Vout)가 높기 때문에 향상 모드 공통 소스 MOSFET 증폭기의 출력 신호가 반전됩니다 . V G 가 높을 때 트랜지스터는 "ON"으로 전환되고 V D (Vout)는 그림과 같이 낮습니다.

강화 모드 N-채널 증폭기

이 공통 소스(CS) MOSFET 증폭기 회로의 DC 바이어싱은 JFET 증폭기와 사실상 동일합니다. MOSFET 회로는 저항 R1 및 R2 로 형성된 전압 분배기 네트워크에 의해 클래스 A 모드에서 바이어스됩니다 . AC 입력 저항은 R IN  = R G  = 1MΩ 으로 지정됩니다 .

금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터는 소신호 전압을 적용하여 절연체 또는 도체 역할을 할 수 있는 다양한 반도체 재료로 제작된 3단자 활성 장치입니다.

MOSFET은 이 두 상태 간을 변경할 수 있으므로 "스위칭"(디지털 전자 장치) 또는 "증폭"(아날로그 전자 장치)이라는 두 가지 기본 기능을 가질 수 있습니다. 그러면 MOSFET은 세 가지 다른 영역 내에서 작동할 수 있습니다.

• 1. 차단 영역    - VGS  < V 임계값 인 경우  게이트-소스 전압은 트랜지스터 임계값 전압보다 훨씬 낮으므로 MOSFET 트랜지스터는 "완전히 OFF"로 전환됩니다. 따라서 I D  = 0 이며 트랜지스터는 다음과 같이 작동합니다 . V DS 값에 관계없이 스위치를 엽니다 .
• 2. 선형(옴) 영역    - V GS  > V 임계값  및 V DS  < V GS 인 경우 트랜지스터는 저항 값이 게이트 전압, V GS 레벨에 의해 결정되는 전압 제어 저항으로 동작하는 일정한 저항 영역에 있습니다.
• 3. 포화 영역    – V GS  > V 임계값 및 V DS  > V GS 인 경우 트랜지스터는 정전류 영역에 있으므로 "완전히 ON" 상태입니다. 드레인 전류 I D  = 닫힌 스위치로 작동하는 트랜지스터의 최대값입니다.

MOSFET 튜토리얼 요약

금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터( 짧게 MOSFET) 는 소스와 드레인 사이의 채널을 통해 흐르는 전류가 게이트 전압에 의해 제어되는 매우 높은 입력 게이트 저항을 갖습니다. 이러한 높은 입력 임피던스와 이득으로 인해 MOSFET은 주의 깊게 보호하거나 취급하지 않으면 정전기로 인해 쉽게 손상될 수 있습니다.

MOSFET은 전력 소비가 매우 작기 때문에 전자 스위치나 공통 소스 증폭기로 사용하기에 이상적입니다. 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터의 일반적인 응용 분야는 마이크로프로세서, 메모리, 계산기 및 논리 CMOS 게이트 등에 있습니다.

또한 기호 내의 점선 또는 점선은 제로 게이트-소스 전압 VGS 가 적용될 때 "NO" 전류가 채널을 통해 흐를 수 있음을 나타내는 일반적으로 "OFF" 향상 유형을 나타냅니다.

기호 내의 끊어지지 않은 연속 선은 일반적으로 "ON" 공핍 유형을 나타내며 전류 "CAN"이 게이트 전압이 0인 채널을 통해 흐른다는 것을 나타냅니다. p-채널 유형의 경우 기호는 화살표가 바깥쪽을 가리키는 점을 제외하면 두 유형 모두에서 정확히 동일합니다. 이는 다음 스위칭 테이블에 요약될 수 있습니다.

MOSFET 유형	V GS  = +ve	V GS  = 0	V GS  = -ve
N채널 고갈	에	에	끄다
N채널 향상	에	끄다	끄다
P 채널 고갈	끄다	에	에
P채널 향상	끄다	끄다	에

따라서 n형 강화형 MOSFET의 경우 양의 게이트 전압이 트랜지스터를 "ON"시키고 게이트 전압이 0이면 트랜지스터는 "OFF"가 됩니다. p-채널 강화형 MOSFET의 경우 음의 게이트 전압은 트랜지스터를 "ON"으로 만들고 게이트 전압이 0이면 트랜지스터는 "OFF"가 됩니다. MOSFET이 채널을 통해 전류를 통과시키기 시작하는 전압 지점은 장치의 임계 전압 VTH 에 의해 결정됩니다.

트랜지스터를 증폭 장치로 사용하는 대신 전계 효과 트랜지스터 에 대한 다음 튜토리얼에서는 고체 스위치로 사용될 때 포화 및 차단 영역에서 트랜지스터의 작동을 살펴보겠습니다. 전계 효과 트랜지스터 스위치는 낮은 DC 전압에서 몇 밀리암페어만 필요로 하는 LED나 더 높은 전압에서 더 높은 전류가 필요한 모터와 같이 DC 전류를 "ON" 또는 "OFF"로 전환하는 데 사용됩니다.