[반도체] 19. 전력 BJT, MOSFET

[반도체] 19. 전력 BJT, MOSFET

전력 BJT

 

전력용 트랜지스터에는 제한요소들이 있고 그 제한요소에는 최대 정격전류(몇 A), 최대 정격전압(몇백 V), 최대 정격전력 소모(몇십 W)등이 있다. 다음의 그림은 수직 npn형 전력 BJT의 구조이다.

작은 스위칭 소자엑서 컬렉터 단자는 역시 표면 위에 만든다. 그러나 수직 구조 전력 BJT의 경우 컬렉터 단자는 소자의 밑바닥에 만든다.

전력 트랜지스터는 큰 전류를 다루기 위해 단면적이 커야 한다. BJT의 경우 이미터 전류밀집효과를 방지하기 위해 다음의 그림처럼 상대적으로 좁은 이미터 폭을 사용한다.

전력 BJT의 상대적으로 넓은 베이스폭은 소신호 스위칭 BJT에 비해 훨씬 더 작은 전류이득을 의미하며, 큰 소자의 면적은 큰 접합 커패시터와 낮은 차단 주파수를 의미한다. 다음의 표는 범용 소신호 BJT와 두 개의 전력 BJT의 파라미터들이 기록되어 있다.

전력 BJT에서 전류이득은 보통 20~100정도로 일반적으로 작고, 컬렉터 전류와 온도에 따라 크게 변한다. 다음의 그림은 여러 온도에서 전력 BJT인 2N3055의 전류이득-컬렉터 전류 특성을 나타낸 것이다.

최대 정격 컬렉터 전류 \(I_{C,\,\max}\)는 반도체를 외부 단자에 연결하는 배선이 감당할 수 있는 최대 전류에 의해 제한되거나 전류이득이 규정된 값 이하로 떨어지는 컬렉터 전류에 의해 제한되거나, 트랜지스터가 포화상태에 있을 때 최대 전력소모에 의해 주어지는 전류로 제한된다. BJT에서 최대 정격 전압은 일반적으로 역방향 바이어스가 걸린 베이스-컬렉터 접합의 애벌런치 항복 현상과 관련이 있다. 이미터 접지에서 항복현상은 pn접합에서의 항복현상 뿐만 아니라 BJT의 이득과도 관련이 있다. 다음의 그림은 전형적인 \(I_{C}-V_{CE}\)특성을 나타낸 것이다.

BJT가 순방향 동작모드에 있을 때 실제 항복전압에 도달하기 전 컬렉터 전류가 상당히 증가하기 시작한다. 항복현상이 일어나면 모든 특성곡선이 동일한 컬렉터-이미터 전압에 합류하는 경향을 보인다. 전압 \(V_{CE,\,\text{sus}}\)는 BJT를 항복상태로 유지하기 위해 필요한 최소한의 전압이다. 컬렉터 전류와 컬렉터-이미터 전압이 직류 값이라면 최대 전력소모정격 \(P_{T}\)는 \(P_{T}=V_{CE}I_{C}\)이다. 

또 다른 항복현상은 2차항복이라 부르는 현상으로서 고전압과 대전류에서 동작하는 BJT에서 발생한다. 

최대 전류와 전압, 전력소모의 제한은 다음의 그림처럼 \(I_{C}-V_{CE}\)특성 위에 나타낼 수 있다. 평균 전력소모 \(P_{T}\)에 대한 제한은 \(P_{T}\)에 대한 식에 의해 표현되는 쌍곡선이다. 트랜지스터가 안전하게 동작할 수 있는 영역인 SOA(Safe Operating Area)는 \(I_{C,\,\max}\), \(V_{CE,\,\text{sus}}\), \(P_{T}\)와 트랜지스터의 2차 항복현상에 의해 경계가 정해진다. 다음의 그림은 안전동작영역을 나타낸 것으로 왼쪽은 선형눈금, 오른쪽은 로그눈금으로 나타낸 것이다.

다음 그림의 BJT회로는 이미터 접지 회로이고 \(R_{L}=10\Omega\), \(V_{CC}=35\text{V}\)이다.

\(V_{CE}\approx0\)일 때 최대 컬렉터 전류는 \(\displaystyle I_{C}(\max)=\frac{V_{CC}}{R_{L}}=\frac{35}{10}=3.5\text{A}\)이고 \(I_{C}=0\)일 때 최대 컬렉터-이미터 전압은 \(V_{CE}(\max)=V_{CC}=35\text{V}\)이다. 부하선은 \(V_{CE}=V_{CC}-I_{C}R_{L}\)이고 다음 그림처럼 안전동작영역(SOA) 내부에서 머물러야 하고 BJT의 전력소모는 \(P_{T}=V_{CE}I_{C}=(V_{CC}-I_{C}R_{L})I_{C}=V_{CC}I_{C}-I_{C}^{2}R_{L}\)이다.

최대 전력소모가 발생하는 전류를 구하기 위해 전력을 \(I_{C}\)에 대해 미분하면 \(\displaystyle\frac{dP_{T}}{dI_{C}}=V_{CC}-2I_{C}R_{L}\)이고 이 미분이 0이 되게 하는 \(I_{C}\)가 최대 전력소모를 일으키며 이때 \(\displaystyle I_{C}=\frac{V_{CC}}{2R_{L}}=\frac{35}{2(10)}=1.75\text{A}\)이고 여기서 컬렉터-이미터 전압은 \(V_{CE}=V_{CC}-I_{C}R_{L}=35-(1.75)10=17.5\text{V}\)이다. 따라서 최대 전력소모는 \(P_{T}=V_{CE}I_{C}=(17.5)(17.5)=30.6\text{W}\)이다.

전력 BJT의 베이스폭은 상대적으로 넓기 때문에 전류이득이 상대적으로 작다. 유효 전류이득을 증가시키는 방법의 하나는 다음의 그림처럼 달링턴 쌍(Darlington Pair)을 사용하는 것이다.

전류 성분을 고려하면 다음의 관계가 성립한다.$$i_{C}=i_{CA}+i_{CB}=\beta_{A}i_{B}+\beta_{B}i_{EA}=\beta_{A}i_{B}+\beta_{B}(1+\beta_{A})i_{B}$$그러면 전체 이미터 접지 전류 이득은 \(\displaystyle\frac{i_{C}}{i_{B}}=\beta_{A}\beta_{B}+\beta_{A}+\beta_{B}\)이다. 위의 그림에서 BJT \(Q_{B}\)를 구동하는 것을 돕기 위해 다이오드를 추가할 수 있다. 다이오드를 추가하는 이유는 다이오드를 통해 \(Q_{B}\)의 베이스로부터 흘러나오는 역방향 전류는 베이스로부터 전하를 끌어내어 다이오드가 없을 때 보다 트랜지스터를 빨리 꺼지게 할 수 있다. 달링턴 쌍을 집적회로로 나타내면 다음과 같다.

전력 MOSFET          

MOSFET에서 큰 전류는 아주 넓은 채널 폭에 의해 얻을 수 있다. 양호한 특성을 유지하면서 넓은 채널 폭을 얻기 위해 전력 MOSFET은 병렬로 동작하는 작은 셀들을 반복하는 패턴으로 제조된다. 기본적인 MOSFET 구조에는 두 가지가 있는데 그 중 하나는 DMOS라고 불리고 그 구조는 다음과 같다.

DMOS소자는 베이스 또는 기판을 구성하는 p영역과 n+소스 접촉 영역은 게이트의 끝에 의하여 정의되는 공통 창을 통한 확산으로 형성된다. 베이스 영역은 n+소스보다 깊숙이 확산시킨다. 그리고 p베이스와 n+소스의 측면 방향 확산 거리의 차이에 의해 채널의 길이가 결정된다. 두 번째 전력 MOSFET 구조는 다음의 그림처럼 VMOS 구조이다.

수직채널 MOS인 VMOS는 다른 제조 공정을 필요로 하는 비평면형 구조이고 p베이스 또는 기판 확산은 전체 표면에 대해 행해진다. 그 후 V모양의 홈을 n표동영역까지 확장되도록 형성시킨다. 다음의 그림은 HEXFET구조(6각형)로 n+ 폴리실리콘 게이트를 갖는 DMOS소자이다.

다음의 두 표는 두 개의 n채널 전력 MOSFET의 기본 파라미터들을 나타낸 것이다.

드레인 전류는 암페어 영역이고 항복전압은 수백볼트 영역에 있다. 전력 MOSFET의 중요한 파라미터는 on저항이며 \(R_{on}=R_{S}+R_{CH}+R_{D}\)이다. 여기서 \(R_{S}\)는 소스 접점과 관련된 저항, \(R_{CH}\)는 채널저항, \(R_{D}\)는 드레인 접점과 관련된 저항이다. 전력 MOSFET에서 작은 저항도 큰 전류에 의해 상당한 전력소모를 일으킬 수 있기 때문에 \(R_{S}\), \(R_{D}\)저항을 무시할 수 없다. 선형 동작영역에서 채널저항은 \(\displaystyle R_{CH}=\frac{L}{W\mu_{n}C_{ox}(V_{GS}-V_{T})}\)이다. 저항 \(R_{S}\), \(R_{D}\)는 반도체 비저항에 비례하므로 이동도에 반비례하고 \(R_{CH}\)와 같은 온도 특성을 갖는다. 다음의 그림은 드레인 전류의 함수로서 전형적인 on저항 값 특성을 나타낸 것이다.

온도에 따른 저항의 증가는 전력 MOSFET에 안정성을 준다. 어떤 특정 셀의 전류가 증가하면 그에 따른 온도의 증가가 on저항을 증가시켜 전류를 제한하기 때문이다. 전력 MOSFET의 우수한 특성은 빠른 스위칭 시간, 2차 항복이 없는 점, 넓은 온도 범위에 걸친 안정된 이득과 응답시간이다. 다음의 왼쪽 그림은 2N6757의 전달 컨덕턴스의 온도에 따른 변화를 나타낸 것이다.

위의 오른쪽 그림은 3가지 다른 온도에서 드레인 전류-게이트-소스 전압을 나타낸 그림이다. 일정한 게이트-소스 전압에 대해 드레인 전류가 높은 전류에서 온도에 따라 감소하여 안정성을 보장한다.

전력 MOSFET은 안전동작영역에서 동작해야 한다. 전력 BJT에서처럼 안전동작영역은 3가지 요소인 최대 드레인 전류 \(I_{D,\,\max}\), 정격 항복 전압 \(BV_{DSS}\), 최대 전력소모 \(P_{T}=V_{DS}I_{D}\)에 의해 정의된다. 안전동작영역은 다음에 나타내어졌고 왼쪽은 선형눈금, 오른쪽은 로그눈금으로 나타내어졌다.

다음은 MOSFET 인버터 회로이다.

두 소자에 대한 안전동작영역 곡선은 다음과 같고

소자 A를 사용할 때 부하선 A에 대해 \(V_{DD}=24\text{V}\)에서 전압축과 만나고 이 곡선은 최대전력곡선에 접선을 이루며 \(I_{D}=5\text{A}\)에서 전류축과 만난다.(부하선이 \(I_{D,\,\max}=6\text{A}\)에서 교차하도록 하면, 부하선은 안전동작영역을 벗어난 곳에 있다) 부하선 A에 대해 드레인 저항은 \(\displaystyle R_{D}=\frac{V_{DD}}{I_{D}}=\frac{24}{5}=4.8\Omega\)이고 최대 전력 점에서의 전류는 \(\displaystyle I_{D}=\frac{V_{DD}}{2R_{D}}=\frac{24}{2(4.8)}=2.5\text{A}\)이며 여기에 해당하는 드레인-소스 전압은 \(V_{DS}=V_{DD}-I_{D}R_{D}=24-(2.5)(4.8)=12\text{V}\), 최대전력은 \(P=V_{DD}I_{D}=12(2.5)=30\text{W}\)이고 최대 정격 전력이다.

소자 B를 사용할 때 부하선 B에 대해 \(V_{DD}=24\text{V}\)에서 전압축과 만나고 이 곡선은 최대전력곡선에 접선을 이루며 \(I_{D}=4\text{A}\)에서 전류축과 만난다. 부하선 B에 대해 드레인 저항은 \(\displaystyle R_{D}=\frac{V_{DD}}{I_{D}}=\frac{24}{4}=6\Omega\), 최대 전력 점에서의 전류는 \(\displaystyle I_{D}=\frac{V_{DD}}{2R_{D}}=\frac{24}{2(6)}=2\text{A}\), 드레인-소스 전압은 \(V_{DS}=V_{DD}-I_{D}R_{D}=24-2(6)=12\text{V}\), 최대전력은 \(P=V_{DS}I_{D}=12(2)=24\text{W}\)이고 최대 정격 전력보다 작다.

MOSFET는 구조를 보면 기생 BJT가 있음을 알 수 있다. 이는 DMOS, VMOS에서도 나타난다. MOSFET의 소스 단자는 n형 이미터, p형 기판은 p형 베이스에, n형 드레인은 n형 컬렉터에 해당된다.(아래 그림 참고)

위의 오른쪽 그림은 기생 BJT의 베이스와 컬렉터가 게이트-드레인 커패시터에 의해 연결되어 있는 것을 나타낸 것이다.

참고자료:

Introduction to Semiconductor Devices, Neamen, McGraw-Hill

Semiconductor Physics and Devices 4th edition, Neamen, McGraw-Hill