이번에는 본격적으로 MOSFET에 대해서 설명해보고자 한다! MOSFET이란 metal oxide semeiconductor filed effet transistor를 의미한다. 즉, MOS는 Metal - Oxide - Semiconductor로 구성되어져 있는데 금속과 반도체 사이에 부도체가 들어있는 구조이다. 이 Oxide 층에는 전류가 통하지 않는 구조이다.
FET는 Field Effect 즉 전계효과를 활용한 트렌지스터를 의미한다.
Gate 쪽에 전압을 걸어주면 채널층에 존재하던 정공들이 전기장에 의해 밀려나면서 채널층에 정공이나 전자가 없는 빈공간 즉 Depletion(결핍) 상태를 이루게 된다.
이후 좀 더 강한 양의 전합을 가해주게 되면 전기장에 의해 끌려고 -전하들이 쌓이게 되고 이 상태를 inversion 상태라고한다.
nMOSFET 과 pMOSFET으로 구분되어지는데 이는 양쪽에 heavily doped semiconductor의 종류에 따라 다른 이름으로 불리게 된다
* n type의 경우에는 -전자가 carrier 역할을 하게되고
* p type의 경우에는 양공(hole) 이 carrier 역할을 하게된다
Theshold Voltage
앞서 설명했듯 oxide는 절연체이다. 전압을 인하하게 되며 모든 전압이 semiconductor에 전달되지 않고 절연체로 인해 "문턱"이 생긴다. 이를 우리는 Voltage threshold라고 하고 문턱전압 즉 Vth 라고 표기한다.
동작원리
이제부터 MOSFET이 어떻게 전류흐름을 유도하는 지에 대해서 그 원리에 대해서 파악해보고자 한다. Vg를 인가하고나서 Vth 전압의 크기 전까지는 전류의 흐름이 존재하지 않는다. 그러다가 Vth의 전압을 넘게 되면 선형적으로 전류의 크기가 증가하는 것을 볼 수 있다.
그럼 전자의 분포도는 어떻게 될까??
양쪽에 동일하게 전자가 분포할것 같지만 그렇지 않다. 옆의 그래프를 보면 알 수 있듯이 Vg- 0V의 전압차가 Vd-Vg의 전압차보다도 크기 때문에 더 많은 전자가 모이게 된다.
그럼 만약에 Vd가 점점커져서 오히려 전자들이 바로 Drain 쪽으로 이동하면 어떻게 될까?
"Channel pinches off"가 발생한다. 이는 전자가 건너야 할 다리가 끊어져 캐리어의 이동이 중단되어야 하지만 Vd의 전압이 충분히 크게되면 끊어진 다리를 뛰어넘고 Vd로 이동하게되는 것을 의마한다.
Vd 드레인 전압이 계속 증가하게 되어도, Id 드레인 전류가 일정 수준에 머무르는 현상을 포화(saturation)라고 한다. 전류의 증가가 한계에 도달했다 라고 생각하면 된다. Id가 포화상태가 되어도 Vd가 계속 커지게 된다면 약간씩 상승하게 되는데 이를 early effect라고 한다 이는 추후에 포스팅하겠다.