Lecture 29. Intro to MOSFET

이제는 transistor의 종류 중 MOSFET에 대해 배워보자.

 

-Observation

 

우선은 V2를 무시하고 V1만을 고려해보자. 위와 같이 두 개의 conductor와 dielectric으로 이루어진 것은 capacitor로 Q=CV1을 만족시킨다. 이를 바탕으로 두 가지 결과를 생각해 볼 수 있다. 

 

1) V1이 증가하면 Q가 증가하고 이는 p-type에 electron density가 증가하게 된다. 

 

2) 이번에는 dielectric 의 두께를 t라고 할 때 t를 줄이면 capacitance의 값이 증가하고 이는 Q의 증가로 이어진다. 그 결과 electron density의 값이 증가하게 된다. 

 

이제 V2를 생각해보면 우선 전류가 +에서 - 즉 A에서 B로 흐르게 된다. 

 

이때 V1의 값이 증가하면 electron density가 증가하게 되고 이는 A와 B 사이의 저항의 값의 감소로 이어지고 그 결과 전류의 값이 증가하게 된다. 

 

-MOS(Metal-Oxid-Semiconductor structure)

MOSFET

위와 같은 구조를 MOS라고 한다. 이때 insulator가 oxide이다. p-substrate 부분에도 terminal이 존재하는데 지금 우리가 배우는 과정에서는 이를 생략하고 배운다. 참고로 substrate를 body라고 부르기도 한다. 그럼 이 구조의 특징 두 가지를 살펴보자.

 

1) MOSFET(MOS-Field-Effect-Transistor)는 Bipolar transistor와 다르게 4개의 terminal이 있다. Gate Drain Source substrate(body)

 

2)MOSFET은 대칭적이다. body를 생략함으로 source와 drain은 둘 다 n-type으로 highly doped된 상태로 같으므로 대칭적이다. 

 

insulator(oxide)의 두깨를 tox라고 할 때 이 값을 줄이게 되면 앞서 capacitor와 비슷한 구조인 MOSFET에서도 electron density가 증가하게 된다. 

 

-MOS Operation

 

Vg가 Vth(Threshold Voltage)미만의 값일 때는 p-substrate에 있는 hole을 밀어내기만 한다. 그 결과 왼쪽의 그림과 같이 depletion region이 생기게 되고 음이온만이 남게 된다. 이때 Vg가 Vth이상의 값을 가지면 source 와 drain 사이에 free electron이 모여 channel을 형성하게 된다. 즉 이렇게 되면 처음에 본 capacitor와 비슷한 구조가 되고 이렇게 되면 Vg의 값에 따라서 electron density를 조절할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어 Vg가 더 커지게 되면 electron density가 증가하게 되고 이는 channel의 저항의 값을 낮추게 되어 결과적으로 source와 drain 사이에 전류가 더 잘 흐르게 해 준다. 

 

그럼 이번에는 Drain에도 voltage source가 있는 경우를 생각해 보자. 

 

Vg와 Vd를 동시에 바꾸면 머리 아프므로 한가지씩 해보자.

 

1) Vd=constant ex)0.3V 로 하고 Vg를 바꾸어 보자. 

위와 같은 상황에서 Vg<Vth인 경우 channel이 형성되지 않아 전류가 흐르지 않고 Vth를 넘는 순간 channel이 형성되어 Drain의 전류가 흐르게 된다. 즉 Vg가 커질수록 channel resistance의 값이 감소하고 이때 Vd라는 전압원이 capacitor의 V2와 같은 역할을 하게 되어 Id의 값이 증가하게 된다. 

이때 gate의 전류는 0이다. 왜냐하면 insulator가 존재하기 때문이다. 그 결과 Is(source의 전류값)=Id가 된다. 

 

2) Vg=constant ex)1V>Vth로 가정

우선 Vg가 threshold voltage를 넘었으므로 channel resistance의 값이 감소해 전류가 흐르게 된다. 이때 Vd의 값이 증가하게 되면 당연히 Id의 값이 증가하게 된다. 

 

이와 같이 정확히는 모르지만 적어도 전압과 전류의 관계를 생각해 볼 수 있었다. 다음 글에서 이에 대해 자세히 보자.

 

V/R

 

 

윤.