25. 증가형 MOSFET

25. 증가형 MOSFET

증가형 MOSFET의 기본구조:

기본 구조는 공핍형 MOSFET에서 채널이 없는 경우이다. 그러므로 Shockley 방정식을 사용할 수 없다(Shockley 방정식은 채널이 있는 소자만 사용가능하다). $V_{GS}$가 작으면 채널이 형성되지 않기 때문에 $I_{D}=0\text{A}$이고, n채널에서 $V_{GS}(>0)$에 의해 전류가 제어된다. 

기본 동작과 특성

$V_{GS}=0\text{V},\,V_{DS}>0\text{V}$일 때, 채널이 없기 때문에 $I_{D}=I_{S}=0\text{A}$이고, 드레인(D)과 기판(SS) 사이는 역방향 바이어스, 소스(S)와 기판(SS)사이는 바이어스가 없다.

$V_{GS}>0\text{V},\,V_{DS}>0\text{V}$일 때 

$V_{GS}(>0)$는 $\text{SiO}_{2}$층 가까이에 있는 p기판의 정공들을 밀어내고 전자들을 잡아당긴다. 이 전자들이 채널을 형성시켜서 전류를 흐르게 한다. 드레인 전류 $I_{D}$를 발생시키는 $V_{GS}$를 문턱전압이라 하고, $V_{T}$ 또는 $V_{GS(\text{Th})}$로 나타낸다. $V_{GS}=0\text{V}$일 때 없는 채널이 $V_{GS}>0\text{V}$일 때, 형성되므로 증가형 MOSFET라고 한다.

$V_{GS}<0\text{V}$이면 채널이 형성되지 않아 $I_{D}=0\text{A}$이고, $V_{GS}>V_{T}$이면, 채널의 캐리어인 전자가 증가해, 전류 $I_{D}$가 증가한다. $V_{GS}(>0)$가 상수이고, $V_{DS}$를 계속 증가시키면, $I_{D}$는 포화된다.

($V_{DS}$의 역방향 바이어스(드레인과 기판 사이)에 의해 드레인 부분에 핀치오프 현상이 나타난다)

$V_{DS_{\text{sat}}}=V_{GS}-V_{T}$이고, $V_{GS}$가 증가하면(유효채널폭이 넓어짐), $V_{DS_{\text{sat}}}$가 증가하게 된다(핀치오프 현상을 만들기 위해 큰 전압 필요). 

$V_{GS}<V_{T}$이면, $I_{D}=0\text{A}$이고, $V_{GS}>V_{T}$이면, $V_{GS}$와 $I_{D}$사이의 관계는 $$I_{D}=k(V_{GS}-V_{T})^{2}$$ 이고, 이것은 포화영역에서 $V_{GS}$와 $I_{D}$의 관계식으로 전달특성 곡선을 표현한 것이다. $k$는 소자의 구조에 의해 결정되고, $I_{D(\text{ON})}$과 $V_{GS(\text{ON})}$이 특성곡선상의 한 점일 때, $k$값은 $$k=\frac{I_{D(\text{ON})}}{(V_{GS(\text{Th})}-V_{T})^{2}}$$ 이다. 참고로 이 식은 $V_{DS}$를 포화전압 이상으로 인가해야 사용할 수 있다.

위 그림에서 왼쪽은 $I_{D}=k(V_{GS}-V_{T})^{2}$로 나타나는 전달특성곡선이다.

$V_{GS}<V_{T}$이면, $I_{D}=0\text{A}$이고, JFET, 공핍형 MOSFET와 다르다. $V_{GS}>V_{T}$이면, 식 $I_{D}=k(V_{GS}-V_{T})^{2}$를 사용할 수 있다.

아래는 $V_{T}=4\text{V},\,k=0.5\times10^{-3}\text{A/V}^{2}$를 가진 증가형 MOSFET의 전달특성곡선을 그리는 과정이다.

p채널 증가형 MOSFET

전압극성과 전류의 방향이 n채널과 반대이다. 즉, $V_{T}<0\text{V},\,V_{DS}<0\text{V},\,V_{GS}<0\text{V}$.

증가형 MOSFET의 기호:

증가형 MOSFET의 규격서:

위 규격표는 모토롤라 사(社)에서 제작한 2N4351 n채널 증가형 MOSFET의 규격표이다.

위 규격표에서 $V_{GS(\text{Th})}=3\text{V},\,I_{D(\text{ON})}=3\text{mA},\,V_{GS(\text{ON})}=10\text{V}$일 때, $\displaystyle k=\frac{I_{D(\text{ON})}}{(V_{GS(\text{ON})}-V_{GS(\text{Th})})^{2}}=0.061\times10^{-3}\text{A/V}^{2}$이므로 $I_{D}=k(V_{GS}-V_{T})^{2}=0.061\times10^{-3}(V_{GS}-3\text{V})^{2}$이고, 특성곡선은 다음과 같다.

참고자료:

Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson