MOSFET의 동작 이해하기

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MOSFET의 동작 이해하기

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TFT(Thin Film Transistor)을 이해하려면 MOSFET의 동작에 대해서 알아야 하고 이해해야 합니다.

오늘은 MOSFET의 동작에 대해 알아보겠습니다.

MOSFET은 재료에 따라 NMOS FET, PMOS FET으로 나뉘고, 

이 두 가지 모두 가진 소자를 CMOS FET이라고 합니다.

NMOSFET

NMOS FET의 접합구조와 채널에 대해서 사진을 첨부하겠습니다.

위 사진은 NMOSFET의 PN접합과 채널 형성을 보여주는 사진입니다.

P type silicon이 가운데 있고 N type silicon이 둘러싼 모습입니다.

게이트 전압이 더 큰 모습으로 채널을 형성합니다.

위 사진은 NMOSFET의 구조와 기호를 보여주는 사진입니다.

NMOSFET 특성

NMOSFET은 Pinch-off라는 출력 특성을 가집니다.

위의 네모칸에 쓰여진 공식은 채널 영역의 소멸을 보여주는 Pinch-off를 나타낸 것이고,

아래 네모칸의 공식은 드레인 전압의 고정을 보여주는 공식입니다.

포화 드레인 전압 이상의 증가분이 pinch-off 영역에 걸리고, 채널에 걸리는 전압은 VD = VG – VT 로 고정합니다.

또한,  VDS ≥ VGS - VT 일 때 포화영역이라고 합니다.

전압과 전류에 따른 채널의 길이와 포화영역, 선형영역을 보여주는 그래프입니다. 

드레인 전압이 증가하게 되면 pinch-off 영역이 조금씩 늘어나게 되고, 채널 길이는 상대적으로 조금씩 감소합니다.

채널에 걸리는 전압은 VG –VT 로 일정하므로, 채널 길이가 짧아지면 채널에 가해지는 전기장의 세기는 증가하게 되고 전류는 조금씩 증가합니다.

NMOSFET의 포화영역 특성에 대해서 알아보겠습니다.

VDS = VGS < VT 일 때, Off 영역.

VDS = VGS > VT 일 때, 항상 포화 영역

입니다.

게이트와 드레인 을 연결하고, 전압 - 전류 특성을 측정 전류의 ½ 승에 대해 그래프를 그리면, 

전압축(x축)과의 교점에서 문턱전압을 구하고, 기울기에서 이동도를 구할 수 있습니다.

Sub-threshold Slope(SS)

특성을 구하기 위해서는 Sub-threshold Slope(SS)에 대해서 알아야 합니다.

초록색 직각표시 보이시나요?

저 부분의 기울기를 SS라고 합니다.

SS의 정의는 Transfer curve에서 전류가 10배 변하는데 필요한 게이트 전압이며,

SS 값이 작을수록 기울기가 급하고, 좋은 특성을 나타냅니다.

MOSFET의 ON and OFF

VT = 3V 라고 가정할 때,

게이트와 드레인 또는 소스 전극 사이의 전압 차이가 중요합니다.

게이트 전압이 문턱전압보다 높아야 채널이 형성되기 때문입니다.

그리고, On 영역은 선형 영역과 포화 영역으로 구분됩니다.

On-선형 상태 : 두 전극 모두 채널이 형성된 경우입니다.

On-포화 상태: 둘 중에 하나만 문턱전압보다 높아서 채널이 생기고,

다른 한 쪽은 문턱전압보다 낮아서 채널이 생기지 않은 경우입니다.

PMOSFET

PMOS FET의 접합구조와 채널에 대해서 사진을 첨부하겠습니다.

위 사진은 PMOSFET의 PN접합과 채널 형성을 보여주는 사진입니다.

N type silicon이 가운데 있고 P type silicon이 둘러싼 모습입니다.

NMOSFET과의 차이점은 전극이 반대이죠?

위 사진은 PMOSFET의 구조와 기호를 보여주는 사진입니다.

MOSFET의 동작을 알아보기 위해선 사실 수 많은 공식들을 알아야 합니다.

하지만 많이 복잡하기에 오늘은 알아보기 쉽도록 사진을 포함하여

정의와 구조, 그리고 특성에 대해서 알아보았습니다.