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1. 개요
MOSFET 동작 원리는 게이트 전압에 따라 채널의 전류를 제어합니다.
이것은 JFET와 마찬가지로 전압 제어 장치이며, 입력 전압에 따라 채널을 통한 전류가 변화합니다.
Junction Field Effect Transistor (JFET) 외에도 다른 유형의 필드 효과 트랜지스터가 있습니다.
이것을 Insulated Gate Field Effect Transistor (IGFET)라고도 합니다.
이러한 트랜지스터는 게이트 입력이 주요 전류를 운반하는 채널로부터 전기적으로 절연된 구조를 가지고 있습니다.
가장 흔한 유형인 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)은 이러한 IGFET의 한 예입니다.
MOSFET은 주로 전자 회로에서 사용되며, 게이트 전극이 실리콘 다이옥사이드와 같은 매우 얇은 절연 층에 의해 반도체 채널로부터 절연됩니다.
이는 전류를 운반하는 주요 채널과 전기적으로 격리되어 있어, 게이트에 전류가 흐르지 않습니다.
MOSFET 동작 원리는 매우 높은 입력 저항을 가지고 있어 대부분의 상황에서 입력 신호를 매우 민감하게 감지할 수 있습니다.
그러나 이러한 높은 입력 저항은 정전기 충전에 민감하다는 단점도 가지고 있습니다.
따라서 MOSFET을 다룰 때는 정전기 방전을 방지하기 위한 조치를 취해야 합니다.
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2. 트랜지스터 분류?
트랜지스터는 신호를 증폭하거나 스위치를 켜고 끄는 등의 기능을 수행할 수 있는 구성 요소 유형입니다.
그들은 구조와 동작 원리에 따라 다음과 같이 분류됩니다.
- Bipolar Junction Transistors (BJT)
BJT는 에미터, 베이스 및 콜렉터라는 세 가지 반도체 층으로 구성됩니다.
베이스-에미터 전압을 제어하여 에미터와 콜렉터 터미널 사이의 전류 흐름을 조절합니다.
BJT는 반도체 재료의 배열에 따라 NPN 및 PNP 유형으로 분류됩니다. - Field-Effect Transistors (FET)
FET는 게이트, 드레인 및 소스 세 개의 터미널을 갖습니다.
게이트에 가해지는 전압을 변화시킴으로써 드레인과 소스 터미널 사이의 전류 흐름을 제어합니다.
FET는 주로 Metal-Oxide-Semiconductor FET (MOSFET) 및 Junction Field-Effect Transistors (JFET)으로 분류됩니다. - MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors)
MOSFET는 반도체 채널과 얇은 산화물 층으로부터 절연된 금속 게이트를 갖습니다.
게이트와 채널 사이의 전기적 분리로 인해 높은 입력 저항을 제공합니다.
MOSFET는 주로 고전압 및 저전력 응용에 사용됩니다. - JFET (Junction Field-Effect Transistors)
JFET는 게이트-소스 전압을 통해 pn 접합을 통한 전기장을 이용하여 소스와 드레인 터미널 사이의 전류 흐름을 제어합니다.
MOSFETs보다 간단한 구조를 갖고 있으며 저잡음, 고효율 응용에 적합합니다. - IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors)
IGBT는 BJT와 MOSFET 동작 원리와 특징을 결합하여 고전류 및 고전압을 처리할 수 있습니다.
IGBT의 게이트는 BJT의 베이스와 유사한 역할을 하며 MOSFET과 유사한 전압 제어를 제공합니다.
IGBT는 고전력, 고전압 응용에 주로 사용됩니다.
3. MOSFET 형태 및 기본 구성
MOSFET는 JFET와 유사하게 게이트(Gate), 드레인(Drain) 및 소스(Source)로 구성된 3단자 장치입니다.
그러나 JFET과는 달리 MOSFET은 기본적으로 두 가지 형태로 제공됩니다.
- 공핍형(MOSFET Depletion Type)
공핍형 MOSFET에서는 게이트-소스 전압(VGS)을 사용하여 장치를 “OFF” 상태로 전환해야 합니다.
음극 게이트-소스 전압을 적용하면 채널의 캐리어가 고갈되어 장치가 “OFF” 상태가 됩니다.
공핍형 MOSFET은 “Normally Closed” 스위치와 유사하게 동작하여 기본 상태에서는 전도되고 있는 상태입니다. - 증가형(MOSFET Enhancement Type):
증가형 MOSFET은 장치를 “ON” 상태로 전환하려면 게이트-소스 전압(VGS)을 필요로 합니다.
게이트-소스 전압이 없거나 충분하지 않은 경우 장치는 “OFF” 상태입니다.
양극 게이트-소스 전압을 적용하면 채널의 전도성이 증가하여 드레인과 소스 사이에서 전류가 흐릅니다.
증가형 MOSFET은 “Normally Open” 스위치와 유사하게 동작하여 게이트 전압에 의해 활성화될 때까지 비전도 상태를 유지합니다.
두 유형의 MOSFET에 대한 심볼 및 기본 구성은 아래 그림에 나와 있습니다.
이러한 심볼은 MOSFET의 구성 및 운영을 시각적으로 나타내며, 공핍형 및 증가형 변형을 구분합니다.
위의 네 가지 MOSFET 기호는 일반적으로 Gate(게이트), Drain(드레인), Source(소스)라고 하는 세 개의 단자를 나타내며, 추가적으로 Substrate(기판) 단자를 보여줍니다.
Substrate 단자는 보통 입력 또는 출력 연결로 사용되지 않지만 대신 기판을 접지하는 데 사용됩니다.
이는 MOSFET의 본체나 금속 탭에 다이오드 접합을 통해 주된 반도체 채널에 연결됩니다.
이산형 MOSFET의 경우, Substrate 리드는 일반적으로 내부적으로 소스 터미널에 연결됩니다.
이 경우, 증가형과 같이 기호에서 이것이 생략됩니다.
MOSFET 기호의 Drain(드레인)과 Source(소스) 사이의 선은 트랜지스터의 반도체 채널을 나타냅니다.
만약 이 채널 라인이 솔리드하고 끊어지지 않은 선이면 이것은 “공핍” (일반적으로 ON) 유형의 MOSFET을 나타냅니다.
이 경우에는 게이트 바이어스가 없어도 드레인 전류가 흐를 수 있습니다.
채널 라인이 점선이거나 끊어진 선으로 표시되면 “증강” (일반적으로 OFF) 유형의 MOSFET 동작 원리를 나타냅니다.
이 경우에는 게이트 전위가 없으면 드레인 전류가 흐르지 않습니다.
화살표의 방향은 이 전도성 채널이 P형이나 N형 반도체 장치인지를 나타냅니다.
3. MOSFET 구조
MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)은 주로 반도체 장치로 사용되며, 특히 반도체 기술의 주요 구성 요소 중 하나입니다.
MOSFET은 게이트(Gate), 드레인(Drain), 소스(Source) 세 개의 단자로 구성되어 있습니다.
이들 단자 간의 전류 흐름은 게이트와 채널(Channel) 사이의 전압에 따라 제어됩니다.
MOSFET 동작 원리 핵심은 게이트와 채널 사이에 존재하는 절연층입니다.
이 절연층은 일반적으로 금속 산화물로 만들어진 층으로, 주로 이산화 규소(SiO2)로 구성됩니다.
이 절연층은 게이트와 채널 사이의 전류 흐름을 차단하고, 전류가 흐르지 않도록 합니다.
MOSFET의 기판은 일반적으로 P형 반도체로 만들어집니다.
기판은 전원을 공급하거나 받는 역할을 하며, MOSFET의 전체적인 구조를 지지합니다.
게이트와 채널 사이에 전압이 인가되면, 기판과 게이트 사이에 공핍층(depletion layer)이 형성됩니다.
이 공핍층은 전류가 흐르지 않도록 막으며, MOSFET이 전류를 제어하는 데 중요한 역할을 합니다.
MOSFET 동작 원리는 기본적으로 게이트와 소스 사이에 전압이 인가되면 채널의 전도성이 변화하게 되어 전류가 흐르게 됩니다.
따라서 MOSFET 동작 원리 게이트에 가해지는 전압에 따라 전류를 제어할 수 있는 전압 제어 장치로 동작합니다.
4. 기본 MOSFET 동작 원리
4-1) 기본 MOSFET 동작 원리
기본적인 MOSFET 동작 원리는 무게(Qg)가 충분하지 않으면 게이트가 부분만 열리게 되므로 On 저항(RDS(on))이 높아집니다.
- Off 상태 : 물통에 무게가 없어 대문을 내리면 물이 흐르지 않습니다.
- On 상태 : 양동이에 무게가 더해지면 게이트가 올라 물이 흐르도록 합니다.
만약 Ciss가 높으면, 게이트가 열리고 닫힐 때마다 많은 양의 전기적인 충전이 필요합니다.
이 전기적인 충전은 “게이트를 충전하고 방전하는 전류”가 될 것이므로, 이는 전력 손실(드라이브 손실)이 됩니다.
간단히 말해, Ciss와 Qg(총 게이트 전하)가 낮을수록 좋습니다.
- 물 경로가 좁으면 (높은 ON 저항) 게이트는 가벼우며 (낮은 Ciss)입니다.
- 물 경로가 넓으면 (낮은 ON 저항) 게이트는 무거우며 (높은 Ciss)입니다.
이처럼 가장 기본적인 MOSFET 동작 원리를 쉽게 이해할 수 있습니다.
4-2) 우수한 MOSFET란?
우수한 MOSFET은 일반적으로 특정 응용 프로그램에 대해 최적의 성능 특성을 나타내는 트랜지스터를 의미합니다. MOSFET의 우수성은 다음과 같은 여러 요소를 기준으로 판단될 수 있습니다.
- 낮은 ON 저항(RDS(on)): 이것은 MOSFET이 ON 상태일 때 전류를 효율적으로 전도하는 능력을 나타냅니다.
낮은 ON 저항은 전력 손실을 줄이고 효율성을 향상시킵니다. - 높은 고장 전압(BV): 고장 전압이 높은 MOSFET은 고장 없이 더 높은 전압을 견딜 수 있으므로 고전압 응용에 적합합니다.
- 빠른 스위칭 속도: 우수한 MOSFET은 빠른 스위칭 시간을 갖추어 ON 및 OFF 상태 사이의 빠른 전환을 가능하게 합니다.
이것은 고주파 작동이나 빠른 응답 시간을 필요로 하는 응용에 중요합니다. - 낮은 게이트 전하(Qg): 낮은 게이트 전하는 MOSFET을 스위칭하기 위해 필요한 전하량을 줄여서 스위칭 손실을 줄이고 효율성을 향상시킵니다.
- 높은 열 효율성: 우수한 MOSFET은 열 특성이 우수하여 열을 효과적으로 방출하여 고전력 조건 하에서 안정적인 작동을 보장하고 장치 수명을 연장합니다.
- 견고성과 신뢰성: 우수한 MOSFET은 고온, 전압 스파이크 및 전기 잡음과 같은 가혹한 작동 조건에서 안정적인 성능을 유지하면서도 시간이 지나도 안정된 성능을 유지할 수 있도록 설계됩니다.
ON 저항은 MOSFET의 스위칭 속도 및 전력 손실에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나입니다.
일반적으로 ON 저항이 낮을수록 MOSFET은 더 효율적으로 작동하며, 전력 손실이 감소합니다.
그러나 큰 MOSFET bare chip를 사용하여 ON 저항을 낮출 경우, Ciss(게이트-드레인과 게이트-소스 사이의 캐패시턴스) 및 Qg(게이트 전하량)와 같은 요소들이 증가합니다.
이는 게이트를 충전하고 방전하는 데 필요한 전력 손실을 높일 수 있습니다.
따라서 단순히 “낮은 ON 저항”만으로는 MOSFET 동작 원리와 성능을 평가하는 데 충분하지 않습니다.
이러한 모든 요소를 종합적으로 고려하여 MOSFET의 성능을 평가하고 비교하기 위해 “FOM (Figure of Merit)”이라는 지표가 사용됩니다. FOM은 보통 RDS(ON)×Ciss, RDS(ON)×Qg, RDS(ON)×A와 같은 형태로 표현되며, MOSFET의 ON 저항이 베어 다이 크기와 어떻게 관련되는지를 나타냅니다.
5. N-ch MOSFET 동작 원리
MOSFET 동작 원리는 이러한 단자 간의 전압 차이에 따라 전류의 흐름을 제어하는 것입니다.
일반적으로 MOSFET의 경로는 소스에서 드레인으로 이어지는데, 이 경로는 N 형 반도체로 시작하여 P 형 반도체를 거쳐 다시 N 형 반도체로 연결됩니다.
그러나 N에서 P로의 접합은 역방향이므로 전류가 흐르지 않습니다.
이 P 형 반도체에는 양전하를 나타내는 “holes”이 분산되어 있습니다.
게이트와 소스 사이에 전압이 인가되면 게이트 아래의 P 층이 N으로 반전됩니다.
이로 인해 P 층 아래에 N 형 반도체 층이 형성되며, 이를 “채널”이라고 합니다.
이렇게 되면 전류가 소스에서 드레인으로 흐를 수 있게 됩니다.
이 상태를 “ON 상태”라고 하며, MOSFET는 전류를 지나갈 수 있는 상태가 됩니다.
만약 이 채널이 N 형이라면 이를 “N 채널 MOSFET”이라고 합니다.
채널의 저항을 “채널 저항”이라고 하며, 이는 전류의 흐름을 제어하는 데 중요합니다.
이 채널 저항을 낮추면 MOSFET의 성능이 향상되며, 전류가 더 쉽게 흐를 수 있게 됩니다.
이러한 P-ch MOSFET 동작 원리도 유사하기에 여기에서는 설명을 생략하도록 하겠습니다.
6. N-ch MOSFET & P-ch MOSFET 특징
N채널 MOSFET과 P채널 MOSFET은 MOSFET의 두 가지 주요 유형입니다.
- N채널 MOSFET
N채널 MOSFET은 채널이 N 형 반도체로 형성되어 있습니다.
게이트에 양전압을 인가함으로써 소스와 드레인 사이의 채널을 확장하고 전류 흐름을 가능하게 합니다.
일반적으로 양극성 신호를 증폭하거나 스위치를 제어하는 데 사용됩니다.
전기적인 신호를 증폭하는 용도로 주로 사용되며, 전기 전도성이 높아 높은 전류를 처리할 수 있습니다.
소스와 드레인 사이의 전압을 양수로 만들어 전류가 흐르도록 합니다. - P채널 MOSFET
P채널 MOSFET은 채널이 P 형 반도체로 형성되어 있습니다.
게이트에 음전압을 인가함으로써 소스와 드레인 사이의 채널을 확장하고 전류 흐름을 가능하게 합니다.
일반적으로 음극성 신호를 증폭하거나 스위치를 제어하는 데 사용됩니다.
전기적인 신호를 증폭하는 용도로 주로 사용되며, 전기 전도성이 높아 높은 전류를 처리할 수 있습니다.
소스와 드레인 사이의 전압을 음수로 만들어 전류가 흐르도록 합니다.
이러한 특징에 따라 N채널 MOSFET과 P채널 MOSFET은 서로 다른 전기적 신호를 처리하고 제어하는 데 사용됩니다.