전계 효과 트랜지스터(FET)의 이해

전계 효과 트랜지스터(FET)는 수많은 집적 회로에서 주요 활성 소자로 광범위하게 사용되며 현대 전자 제품에서 큰 역할을합니다.  FET(Field-Effect Transistor)는 단자 중 하나에 인가된 전기장을 기반으로 전류의 흐름을 제어하는 3단자 반도체 장치입니다. BJT(Bipolar Junction Transistor)와 달리 FET(Field-Effect Transistor)는 전류 대신 전기장을 사용하여 전하의 흐름을 제어합니다.

 

FET는 소스, 드레인 및 게이트의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 소스는 전류 공급을 담당하고 드레인은 출력 단자 역할을 합니다. 반면에 게이트는 전기장을 수정하여 소스와 드레인 사이의 전류 흐름을 제어합니다. FET에는 JFET(Junction Field-Effect Transistor), MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 및 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)의 세 가지 기본 유형이 있습니다. 높은 입력 임피던스, 낮은 잡음 및 낮은 전력 소비를 제공하는 FET의 능력은 증폭기, 발진기, 전압 조정기 및 디지털 논리 회로를 포함한 다양한 응용 제품에 이상적인 선택입니다.

 

 

 

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1. 전계 효과 트랜지스터

일반적으로 FET로 알려진 전계 효과 트랜지스터는 전기장을 사용하여 회로 내 전류의 흐름을 제어하는 3단자 반도체 장치입니다. 이는 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전도성 조절을 기반으로 작동하며, 게이트 단자에 적용된 전기장에 의해 유도됩니다. FET는 전자 회로의 중요한 부분입니다. 그들은 신호를 더 크게 만들고, 물건을 켜고 끄고, 전압을 제어하는 것과 같은 필수적인 작업을 수행합니다.

 

전하 캐리어(전자 및 정공)의 움직임에 의존하는 BJT(바이폴라 접합 트랜지스터)와 달리 FET는 전기장을 통한 전류 흐름을 제어하는 원리로 작동합니다. 이러한 근본적인 차이로 인해 FET는 BJT가 효율적이지 않을 수 있는 특정 애플리케이션에 적합합니다. 반도체에서 전류가 흐르는 경로는 P형 또는 N형일 수 있습니다. 이러한 구분으로 인해 P-채널 및 N-채널 FET의 두 가지 범주의 FET가 발생합니다.

 

접합 FET 회로 기호

 

 

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채널의 전류 흐름을 제어하는 것은 전기장이기 때문에 전계 효과 트랜지스터(FET)는 전압으로 작동되는 것으로 간주됩니다. 이 특성은 종종 많은 메그옴 범위에서 높은 입력 임피던스를 부여합니다. 이 높은 입력 임피던스는 전류로 작동되며 일반적으로 훨씬 낮은 입력 임피던스를 갖는 바이폴라 트랜지스터에 비해 유리합니다. FET의 전압 작동 특성과 높은 입력 임피던스는 다양한 전자 애플리케이션에 매우 적합하며 신호 증폭, 감도 및 전체 회로 성능 측면에서 이점을 제공합니다.

 

접합 전계 효과 트랜지스터

 

 

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2. 전계 효과  트랜지스터 회로 설계

FET 회로를 설계할 때 특정 요구 사항에 적합한 유형의 FET를 선택하는 것이 중요합니다. JFET(Junction Field-Effect Transistor)와 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)의 두 가지 주요 유형이 있습니다. FET 회로 설계의 중요한 측면은 바이어싱과 관련이 있습니다.

 

바이어싱은 원하는 작동점을 달성하기 위해 FET에 DC 전압을 인가하는 프로세스를 말합니다. 적절한 바이어싱은 FET가 선형 영역 내에서 작동하도록 하여 최적의 성능을 허용하고 왜곡을 최소화합니다. 또한 FET 회로는 원치 않는 DC 신호를 차단하고 적절한 AC 신호 전송을 보장하기 위해 커플링 및 디커플링 커패시터가 필요한 경우가 많습니다.

 

이러한 차이에도 불구하고 FET를 사용한 전자 회로 설계는 상대적으로 간단하며 바이폴라 트랜지스터와 관련된 설계와 약간만 다릅니다. FET를 사용하면 전압 증폭기, 버퍼, 전류 추종자, 발진기, 필터 등과 같은 회로를 생성할 수 있습니다. FET의 회로 설계는 바이어스 배열은 다르지만 바이폴라 트랜지스터 및 열 이온 밸브 또는 진공관의 회로 설계와 유사성을 공유합니다. 특히, 밸브/튜브는 전압으로 작동되는 장치이기도 하여 바이어스 배열을 포함한 유사한 회로 설계가 가능합니다.

 

FET 회로를 설계할 때 몇 가지 요소를 고려해야 합니다.

• 바이어싱: 적절한 바이어싱은 FET가 원하는 영역에서 작동하도록 하는 데 중요합니다. 앞서 언급한 기사에서는 자체 바이어스 및 전압 분배기 바이어스와 같은 다양한 바이어스 기술에 대해 설명합니다.
• 부하 라인 분석: FET의 부하 라인을 분석하면 적절한 작동 지점과 최대 신호 스윙을 결정하는 데 도움이 됩니다.
• 입력 및 출력 임피던스: FET의 입력 및 출력 임피던스를 이해하는 것은 다른 회로 구성 요소와 일치하고 신호 전송을 최적화하는 데 필수적입니다.
• 보호 회로: 과전압 및 과전류 보호와 같은 보호 회로를 구현하면 FET와 전체 회로를 잠재적인 손상으로부터 보호할 수 있습니다.

 

FET 회로 설계를 완료하기 전에 특수 소프트웨어 또는 하드웨어 도구를 사용하여 성능을 시뮬레이션하고 테스트하는 것이 좋습니다. 이를 통해 설계자는 회로의 기능을 확인하고 동작을 분석하며 필요한 조정을 수행할 수 있습니다.

 

 

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3. 전계 효과 트랜지스터 유형

전계 효과 트랜지스터(FET)에는 여러 유형이 있으며 크게 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET), 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 세 가지 주요 범주로 분류할 수 있습니다.

 

1) 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET)

• N 채널 JFET: N 채널 JFET에서 채널을 형성하는 반도체 재료는 N형입니다.
• P-채널 JFET: P-채널 JFET에서 채널을 형성하는 반도체 재료는 P형입니다.
• 작동: JFET는 PN 접합부에 인가되는 전기장을 사용하여 반도체 채널을 통과하는 전류 흐름을 제어하여 작동합니다.

 

 

 

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2) 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)

• N-Channel MOSFET: N 채널 MOSFET에서 채널은 N 형 반도체 재료로 형성됩니다.
• P-Channel MOSFET: P-채널 MOSFET에서 채널은 P-형 반도체 재료로 형성됩니다.
• 작동: MOSFET은 금속 게이트에 전압을 인가하여 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전하 캐리어(전자 또는 정공)의 흐름을 제어하는 전기장을 생성하여 작동합니다.

 

 

 

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3) 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)

• 구조: IGBT는 MOSFET과 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 기능을 결합합니다. 그들은 MOSFET과 같은 게이트와 BJT와 유사한 전도성 변조를 가지고 있습니다.
• 작동: IGBT는 고전력 애플리케이션에 사용되며 고전류 및 전압 기능이 필요한 전자 장치에 자주 사용됩니다.

 

 

 

4) 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)

• 특성: 높은 전자 이동도와 낮은 잡음 특성으로 알려져 있습니다.
• 응용 분야: 위성 통신, 레이더 시스템 및 셀룰러 네트워크와 같은 고주파 응용 분야에 일반적으로 사용됩니다.

 

 

 

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5) 질화갈륨 전계 효과 트랜지스터(GaN FET)

• 특성: 높은 전력 밀도와 효율성으로 알려져 있습니다.
• 응용 분야: 전기 자동차 충전, 재생 에너지 시스템 및 무선 전력 전송과 같은 전력 전자 응용 분야에 사용됩니다.

 

FET(Field Effect Transistor type)는 각 유형마다 고유한 특성이 있으며 특정 용도에 적합합니다. FET(전계 효과 트랜지스터) 회로 설계자는 필요한 전압, 전류, 속도 및 응용 분야별 요구 사항과 같은 요인에 따라 적합한 유형을 선택합니다.

 

 

 

 

 

4. 전계 효과 트랜지스터 사양

FET 사양은 회로 설계자가 FET가 주어진 애플리케이션에 대해 원하는 매개변수 내에서 작동하는지 확인하는 데 중요합니다. 규격서는 설계자가 전자 회로의 FET 선택 및 사용에 대해 정보에 입각한 결정을 내리는 데 도움이 되는 자세한 정보를 제공합니다.

 

전계 효과 트랜지스터(FET)는 광범위한 응용 분야에서 사용되는 중요한 전자 부품입니다. 성능을 완전히 이해하려면 사양과 매개변수를 숙지하는 것이 중요합니다.

• 드레인-소스 항복 전압(BVDS) : 이 매개변수는 고장을 일으키지 않고 드레인과 소스 단자 사이에 적용할 수 있는 최대 전압을 나타냅니다. 안정적인 작동을 보장하기 위해 예상 작동 전압보다 높은 BVDS 정격의 FET를 선택하는 것이 중요합니다.
• 게이트-소스 전압(VGS) 범위 : VGS는 FET의 전도도를 제어하기 위해 게이트와 소스 단자 사이에 적용되는 전압을 나타냅니다. 지정된 범위는 적절한 작동에 필요한 전압 레벨을 결정합니다.
• 드레인 전류(ID) : ID는 FET가 완전히 켜졌을 때 드레인 단자를 통해 흐를 수 있는 최대 전류입니다. 과열 및 잠재적인 손상을 방지하기 위해 예상 전류 요구 사항을 초과하는 ID 등급의 FET를 선택하는 것이 중요합니다.
• 온 저항(RDS(on)) : RDS(on)는 FET가 완전히 켜져 있을 때 FET의 저항을 측정한 것입니다. 값이 낮을수록 전도성과 효율성이 더 우수함을 나타냅니다. 전력 손실을 최소화하기 위해 RDS(on)가 낮은 FET를 선택하는 것이 중요합니다.
• 게이트 임계 전압 (VGS (th)) : VGS (th)는 FET를 켜기 위해 게이트와 소스 단자 사이에 필요한 최소 전압입니다. 제어 회로가 이 임계값을 충족하기에 충분한 전압을 제공할 수 있는지 확인하는 것이 중요합니다.
• 커패시턴스 : FET는 고주파 성능에 영향을 미치는 다양한 커패시턴스를 가지고 있습니다. 여기에는 입력 정전용량(Ciss), 출력 정전용량(Coss) 및 전송 정전용량(Crss)이 포함됩니다. 이러한 정전 용량을 이해하면 고주파 애플리케이션에서 FET의 성능을 최적화하는 데 도움이 됩니다.

이러한 사양과 매개변수를 고려함으로써 엔지니어와 설계자는 특정 애플리케이션에 가장 적합한 FET를 선택하여 최적의 성능과 신뢰성을 보장할 수 있습니다.