MOSFET 구조, 기능 및 종류

MOSFET은 전력 증폭기에서 마이크로 프로세서에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 사용됩니다. MOSFET의 구조, 기능 및 특성을 이해하는 것은 모든 엔지니어 또는 전자 장치 애호가에게 필수적입니다.

 

 

 

 

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1. MOSFET란?

MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)은 현대 전자 제품의 중요한 구성 요소입니다. 트랜지스터의 일종인 MOSFET은 반도체 재료와 절연된 금속 게이트를 사용하여 소스 영역과 드레인 영역 사이의 전류 흐름을 제어하여 전기 신호를 조절하고 증폭합니다.

 

MOSFET은 강화 모드와 공핍 모드의 두 가지 주요 유형으로 제공되며 각각 다른 목적에 적합합니다. MOSFET은 입력 임피던스가 높기 때문에 효율이 높으며, 게이트 전압을 변경하기 위해 소스로부터 최소한의 전류만 필요합니다. 다양한 용도로 사용할 수 있기 때문에 고주파 스위칭뿐만 아니라 저전력 응용 제품에도 사용할 수 있으므로 많은 전자 프로젝트에서 필수적인 부분이 됩니다.

 

 

 

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2. MOSFET 구조 및 기능

MOSFET에는 소스-드레인-게이트 구조(source-drain-gate structure)가 있는데, 이는 일반적으로 실리콘으로 만들어진 반도체 기판 위에 제작된 세 개의 별개의 영역입니다.

 

1) 구조

소스 및 드레인 영역은 불순물로 도핑되어 기판 내에 전자(n형) 또는 정공(p형)의 고농도를 생성합니다. 게이트 영역은 알루미늄 또는 구리와 같은 얇은 금속 층을 기판 표면에 증착하여 생성됩니다. 따라서 금속층은 일반적으로 이산화규소(SiO2)로 만들어진 절연 산화물 층에 의해 기판에서 분리됩니다.

 

 

 

제조 과정에서 엔지니어는 MOSFET의 적절한 작동을 보장하기 위해 산화물 층의 두께를 신중하게 제어합니다.
산화물 층은 유전체 물질로 작용하며 게이트가 소스 영역과 드레인 영역 사이의 전류 흐름을 제어할 수 있도록 합니다.

MOSFET 구조는 채널 영역, 공핍 영역 및 반전 계층의 세 가지 영역으로 더 나눌 수 있습니다.

채널 영역은 소스 영역과 드레인 영역 사이의 영역이며 소수의 자유 충전 캐리어를 포함합니다. 게이트 전압이 0이 되면 전하 캐리어의 채널 영역을 고갈시켜 공핍 영역을 생성합니다.

 

2) 동작방식

게이트에 포지티브 전압을 가하면 소스에서 전자를 끌어당기고 산화물 층과 기판 사이의 계면 쪽으로 영역을 배출하는 전기장이 생성됩니다. 이러한 전자의 축적은 반전층을 형성하여 소스와 드레인 영역 사이에 전류가 흐를 수 있도록 합니다.

게이트에 인가되는 전압을 제어하면 소스 영역과 드레인 영역 사이에 흐르는 전류의 양이 결정됩니다. 반전층의 폭과 깊이는 게이트 전압을 조정하여 조절할 수 있으므로 소스 영역과 드레인 영역 사이의 저항을 제어할 수 있습니다.

 

MOSFET 구조는 소스, 드레인, 게이트의 세 가지 주요 영역으로 구성됩니다. 게이트 전압이 없는 경우, 소스 영역과 드레인 영역 사이의 채널 영역은 절연 산화물 층에 의해 기판에서 게이트가 분리되기 때문에 전하 캐리어를 고갈시킵니다. 게이트 전압을 적용하면 소스 영역과 드레인 영역 사이의 전류 흐름을 가능하게 하는 반전 계층이 생성됩니다. 게이트에 인가되는 전압은 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류의 양을 제어합니다.

 

 

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3. MOSFET의 종류

전자 제품에 일반적으로 적용되는 여러 유형의 MOSFET이 있습니다. 가장 일반적인 유형의 MOSFET은 다음과 같습니다.

 

1) 강화 모드 MOSFET

이 MOSFET은 소스와 드레인 사이에 상시 꺼짐 채널이 있으며, 게이트에 포지티브 전압을 인가하여 켤 수 있습니다. 강화 모드 MOSFET은 전력 전자 및 디지털 회로에 널리 적용할 수 있습니다.

 

 

 

2) 공핍 모드 MOSFET

이 MOSFET은 소스와 드레인 사이에 상시 온 채널이 있어 게이트에 음의 전압을 인가하여 끌 수 있습니다. 공핍 모드 MOSFET은 일반적으로 저잡음 증폭기 회로 및 전압 레귤레이터에 적용할 수 있습니다.

 

 

 

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3) N 채널 MOSFET

이 MOSFET은 소스와 드레인 사이에 n형 채널이 있는데, 이는 전자가 주요 캐리어임을 의미합니다. N 채널 MOSFET은 소스가 접지와 연결되어 있는 로우 측 스위칭 애플리케이션에 일반적으로 적용할 수 있습니다.

 

 

4) P 채널 MOSFET

이 MOSFET은 소스와 드레인 사이에 p형 채널이 있는데, 이는 홀이 대부분의 캐리어임을 의미합니다. P 채널 MOSFET은 소스가 전원 공급 장치와 연결되어 있는 하이사이드 스위칭 애플리케이션에 일반적으로 적용할 수 있습니다.

 

 

 

5) 상보형 MOSFET(CMOS)

CMOS 회로는 n채널 및 p채널 MOSFET을 모두 사용하여 낮은 전력 소비와 높은 잡음 내성을 달성합니다. CMOS 회로는 일반적으로 디지털 논리 회로 및 마이크로 프로세서에 적용 할 수 있습니다.

 

6) 채널 길이와 폭이 다른 MOSFET

채널 길이와 폭이 다른 MOSFET을 사용하여 더 빠른 스위칭 시간 또는 더 높은 정격 전류와 같은 다양한 전기적 특성을 달성할 수 있습니다. MOSFET은 광범위한 전자 응용 분야에서 사용할 수 있는 다목적 장치이며 MOSFET 유형의 선택은 회로의 특정 요구 사항에 따라 달라집니다.

 

 

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4. MOSFET의 동작방식

MOSFET의 기능은 게이트 전압이 소스 영역과 드레인 영역 사이의 전류 흐름을 조작하는 메커니즘에 따라 달라집니다.

 

 

1) 강화 모드 MOSFET

인핸스먼트 모드 MOSFET에서 소스와 드레인 사이의 채널은 게이트에 전압이 인가되지 않을 때 일반적으로 꺼진다. 따라서 게이트에 양의 전압이 가해지면 소스에서 전자를 끌어당기고 영역을 산화물 층 쪽으로 배출하는 전기장을 생성하여 전도성 채널 역할을 하는 반전층을 생성합니다.

 

이 채널의 너비와 깊이는 게이트 전압에 따라 다릅니다. 게이트 전압이 증가함에 따라 채널이 더 넓어지고 깊어지므로 소스 영역과 드레인 영역 사이에 더 많은 전류가 흐를 수 있습니다. 반대로, 게이트 전압이 감소하면 채널이 좁아지고 얕아져 소스 영역과 드레인 영역 사이에 흐르는 전류의 양이 줄어듭니다.

 

2) 공핍 모드 MOSFET

공핍 모드 MOSFET에서 소스와 드레인 사이의 채널은 게이트에 전압이 없을 때 정상적으로 켜져 있습니다. 음의 전압이 게이트에 있을 때 전하 캐리어 채널을 고갈시키는 전기장을 생성하여 소스와 드레인 영역 사이에 흐르는 전류의 양을 줄입니다.

 

게이트 전압이 음수가 될수록 공핍 영역이 더 넓어지고 깊어지면서 소스 영역과 드레인 영역 사이에 흐르는 전류의 양이 줄어듭니다. 반대로, 게이트 전압이 음이 적어질수록 공핍 영역이 좁아지고 얕아져 소스 영역과 드레인 영역 사이에 더 많은 전류가 흐를 수 있습니다.

 

두 가지 유형의 MOSFET 모두에서 게이트 전압은 소스 영역과 드레인 영역 사이의 전류 흐름을 제어하지만, 게이트 전압에 대한 전류 변화 방향은 강화 모드 및 공핍 모드 MOSFET의 경우 그 반대입니다.

MOSFET의 장점 중 하나는 입력 임피던스가 매우 높다는 것인데, 이는 게이트 전압이 변할 때 소스에서 많은 전류를 끌어오지 않는다는 것을 의미합니다. 따라서 낮은 전력 소비가 중요한 응용 분야에 사용하기에 이상적입니다. MOSFET은 또한 고주파에서 작동할 수 있어 고속 스위칭 회로에 사용하기에 적합합니다.

 

 

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5. MOSFET 바이어싱

MOSFET 바이어싱은 장치의 원하는 작동을 달성하기 위해 MOSFET 단자에서 전압 및 전류 레벨을 설정하는 프로세스를 말합니다. 적절한 바이어싱은 최적의 MOSFET 성능을 달성하고 장치 손상을 방지하는 데 매우 중요합니다.

 

 

 

MOSFET 회로에 사용되는 세 가지 일반적인 바이어싱 기술이 있습니다.

• - 전압 분배기 바이어싱: 이 기술은 전원 공급 장치 전압과 접지 사이에 두 개의 저항을 직렬로 연결합니다. 회로는 두 저항의 접합부에서 바이어스 전압을 가져와 MOSFET의 게이트 단자에 적용합니다. 두 저항의 비율은 바이어스 전압을 결정합니다.
• - 피드백 바이어싱: 이 기술에서는 출력 전압의 일부가 MOSFET의 게이트 단자로 피드백되어 바이어스 지점을 안정화하고 선형 작동을 보장합니다.
• - 정전류 바이어싱: 정전류 바이어싱에는 정전류 소스를 사용하여 MOSFET을 바이어싱하는 작업이 포함됩니다. 전류 소스는 MOSFET의 드레인 회로에 고정 전류를 제공하여 MOSFET이 선형 영역에서 작동하도록 합니다.

 

따라서 MOSFET은 전압 제어 장치이므로 게이트 전압의 변화로 인해 MOSFET 전류에 상당한 변화가 발생할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 장치가 안전한 작동 한계 내에서 작동하는지 확인하기 위해 MOSFET 바이어싱에 세심한 주의를 기울여야 합니다.

 

 

MOSFET을 바이어싱하는 동안 고려해야 할 몇 가지 요소에는 장치의 최대 전압 및 전류 정격, 필요한 작동 온도 범위 및 작동 빈도가 포함됩니다. MOSFET의 적절한 바이어싱은 신뢰성, 성능 및 전반적인 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

 

 

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6. MOSFET의 특성

 

 

 

MOSFET은 전자 회로에서의 성능을 결정하는 몇 가지 주요 특성을 나타냅니다. 가장 중요한 MOSFET 특성 중 일부는 다음과 같습니다.

• - 드레인-소스 온 저항(RDS(on)): RDS(on)은 MOSFET 채널이 켜져 있을 때 MOSFET 채널의 저항을 측정한 것입니다. RDS(on) 값이 낮을수록 MOSFET이 더 적은 전압 강하로 더 많은 전류를 전도할 수 있음을 나타내며, 이는 더 낮은 전력 손실과 더 높은 효율로 해석됩니다.
• - 게이트 임계 전압(VGS(th)): VGS(th)는 MOSFET을 켜기 위해 게이트 단자에서 필요한 최소 전압입니다. 적절한 게이트 드라이브 회로를 선택하고 MOSFET의 작동 범위를 결정하기 위한 중요한 매개변수입니다.
• - 게이트 커패시턴스(CGS 및 CGD): MOSFET에는 게이트와 관련된 두 가지 커패시턴스, 즉 게이트-소스 커패시턴스인 CGS와 게이트-드레인 커패시턴스인 CGD가 있습니다. 이러한 정전 용량은 MOSFET의 스위칭 속도에 영향을 미치며 고주파 응용 분야에서 중요한 고려 사항입니다.
• - 최대 드레인-소스 전압(VDS): VDS는 장치를 손상시키지 않고 MOSFET의 드레인 및 소스 단자에 적용할 수 있는 최대 전압입니다. 이 파라미터는 주어진 애플리케이션에 적합한 MOSFET을 선택하는 데 중요합니다.
• - 최대 드레인 전류(ID): ID는 MOSFET이 최대 정격 전력 손실을 초과하지 않고 처리할 수 있는 최대 전류입니다. 이 파라미터는 주어진 애플리케이션에 대한 MOSFET을 선택하고 장치가 안전하고 신뢰할 수 있게 작동하도록 하는 데 중요합니다.
• - 열 저항(RθJC 및 RθJA): MOSFET은 작동 중에 열을 발생시키며 성능이 온도의 영향을 받을 수 있습니다. RθJC는 접합부와 MOSFET 케이스 사이의 열 저항이고, RθJA는 접합부와 주변 환경 사이의 열 저항입니다. 이러한 매개변수는 적절한 방열판을 선택하고 MOSFET이 안전한 온도 범위 내에서 작동하도록 하는 데 중요합니다.