[반도체소자] 1. MOSFET 동작 원리

MOSFET 동작원리 (1)

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MOSFET의 동작원리는 수도꼭지의 원리와 매우 유사합니다.

MOSFET은 Gate 전압의 조절로 On/Off를 결정하는 Transistor입니다.

→ 수도꼭지는 레버를 조절로 물의 흐름을 결정하는 장치입니다.

♭ MOSFET Drain = 펌프 → 물을 공급해주는 역할

♭ MOSFET Gate = 레버 → 물의 On/Off를 결정하는 역할

♭ Drain current = 물 

 

1. Cut-off mode (조건: V_DS = 0V)

MOSFET에서 전류가 흐르지 않은 동작 영역

♭ NMOSFET 기준으로 V_GS>V_TH가 인가되어 N-channel이 형성되지만 V_DS=0 이므로 I_d=0

→ 펌프가 작동되지 않은 경우: 레버를 열어도 물이 나오지 않는다! (파란색 점 보이시죠?)

 

 

2. Linear mode (조건: V_GS > V_TH, V_DS < V_GS-V_TH)

MOSFET에서 V_DS 증가에 따라 I_d가 선형적으로 증가하는 동작 영역

♭ V_DS < V_GS-V_TH이므로 V_DS 증가에 따라 I_d 증가

→ 펌프가 작동하지만 레버를 열어준만큼 물을 공급하지 못하는 경우: 펌프를 강하게 작동할수록 물의 세기 증가한다!

♭ Linear mode에서 I_d를 증가시키기 위해서는 위 수식에 따라 V_DS 증가

 

3. Saturation mode (조건: V_GS > V_TH, V_DS(sat) ≥ V_GS - V_TH)

MOSFET에서 이상적인 경우 V_DS 증가에 따라 I_d가 더 이상 증가하지 않고 포화된 영역

♭ 이상적이지 않은 경우 V_DS 증가에 따라서 pinch-off가 발생하여 I_d 증가

♭ I_d 증가시키기 위해서는 V_GS 증가

♭ V_GS 증가하는 경우 V_OV(Overdrive voltage)가 증가하여 V_DS(sat) 값 증가

→ 열어준 레버보다 많은 물의 양을 공급하는 경우: 펌프를 더 강하게 작동하여 물의 세기는 변화가 없다!

    (물의 세기를 증가시키기 위해서는 레버를 더 열어야한다!)

♭ Saturation mode에서 I_d를 증가시키기 위해서는 위 수식에 따라 V_GS 증가

 

<출처>

Donald A. Neaman, "Semiconductor physics and device" 4th edition.

 

오류가 있다면 지적해주시면 감사하겠습니다 :)