10.3.2 전류 - 전압 관계 - 개념

이전에 배웠던 MOS의 동작 방식에서 $V_{G}(V_{GB}) < V_{T}$ 는 channel(surface에 carrier가 모임)이 형성되지 않고, $V_{G}(V_{GB}) > V_{T}$ 는 channel이 형성되는 것을 확인하였었다.

 

 

$V_{GB}$는 모든 surface 영역에 대해 일정한 값을 지니며, 동작 모드도 동일하게 바뀐다.

 

MOSFET 또한 MOS와 비슷하게 동작을 한다.

다만, Gate와 Source & Drain 사이에 수직 하게 걸리는 전압차가 위치에 따라 상이하여 동작 모드가 변할 수 있다.

($V_{GS}$ = $V_{G} - V_{S}$ , $V_{GD}$ = $V_{G} - V_{D}$)

예를 들어, $V_{GS} > V_{T}$이고 $V_{GD} < V_{T}$라고 가정을 하면, $V_{GS}$ = inversion, $V_{GD}$ = not inversion 이게 된다.

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이때의 MOSFET channel의 전압 강하를 그래프로 살펴보자.

(Source 와 Drain 사이의 Channel = V(x)을 갖는다.)

 

1. $V_{G}$는 영역별로 일정한 전압값을 지닌다.

 

$V_{G}$

 

2. $V_{D}$값이 높고 낮음에 따른 V(x)의 변화.

 

 

3. 일정한 전압값을 갖는 $V_{G}$에서 channel potential을 빼면 $V_{GS} , V_{GD}$를 구할 수 있다.

 

$V_{G} - V(x) > V_{T}$

이때 $V_{G} - V(x) > V_{T}$ 라면 inversion layer가 형성 가능하다.

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그렇다면 이제 Gate & Drain의 조합에 따른 동작 영역이 어떻게 바뀌는지 살펴보자.

 

1. $V_{S} = V_{D} = GND$ , $V_{G} < V_{T}$ : accumulation or depletion

Source & Drain에 모두 Ground = 0V 전압이 인가된 상태이다.

또한, accumulation or depletion 모드이기에 channel이 형성되지 않은 상태로 전류가 흐르지 못한다.

 

그림으로서 표현하면 다음과 같이 Channel (배관) 이 생성되지 않아 물(전류)이 흐르지 않는 상태이다.

 

2. $V_{S} = V_{D} = GND$ , $V_{G} > V_{T}$ : (strong) inversion

마찬가지로, Source & Drain에 모두 Ground = 0V 전압이 인가된 상태이다.

Strong inversion 모드이므로 Channel이 형성되었음을 확인 가능하지만, 바로 위에서 이야기하였듯 Source & Drain의 전압이 모두 0V 이므로 전류의 흐름은 발생하지 않는다.

 

3. $V_{S} = GND$ ,$ V_{D}(V_{DS}) > 0$ (low), $V_{GS} > V_{T}$ : inversion, $V_{GD} > V_{T}$ : inversion

$V_{GS}, V_{GD}$모든 영역에서 Channel이 형성되고, $V_{D}$ 전압의 증가에 따라 전류값도 증가한다.

 

$V_{G} > V_{T}$가 되면 Channel(배관)이 연결되어 물(전류)이 흐른다.

Drain의 전압이 증가함에 따라 전류값도 함께 증가한다.

 

 

4. $V_{S} = GND$ ,$ V_{D}(V_{DS}) > 0$ (medium), $V_{GS} > V_{T}$ : inversion, $V_{GD} = V_{T}$

-> pinch - off condition

 

 

3번의 상태에서 $V_{D}$의 전압을 중간 정도 값인 $V_{G} - V_{D} = V_{T}$ 수준으로 높이면, Drain의 경계면에서 inversion Channel 이 딱 생성되는 시점에 도달한다.

이 상태를 Pinch - off라고 부르고 전류가 흐른다.

 

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5. $V_{S} = GND$ ,$ V_{D}(V_{DS}) > 0$ (high), $V_{GS} > V_{T}$ : inversion, $V_{GD} < V_{T}$ : no inversion

-> saturation region

다음으로 $V_{D}$의 전압이 더욱 증가하면, Drain 근처에 더 이상 Channel 형성이 되지 않는 depletion mode에 들어간다.

이때 depletion 양단에 존재하는 E-field로 인해서 전자가 넘어가며 전류가 발생하고 $V_{D}$가 증가해도 전류값은 변화가 없다. 이를 Saturation region이라고 부른다.

 

 

pinch - off 상태를 지나고 난 이후부터는 Drain의 전압이 증가해도 전류의 변화는 일어나지 않는다.

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MOSFET의 Output 상태를  $V_{D}$ 인가에 따른 Output Curve로 확인해보자.

 

1. Depletion region이 형성된 구간에서는 가해준 전압에 비례해서 전류값도 증가한다.

 

2. $V_{D}$값을 천천히 늘림에 따라 Drain 근처의 Channel 이 점차 좁아진다.

 

 

3. Pinch - off 상태 ($V_{D} = V_{G} - V_{T}$) 근처에 도달할수록 전류의 증가량이 감소한다.

 

 

4. 전류값이 점차 감소하다 $V_{DS}(Sat)$ 이상부터 Depletion에 의해 Channel이 끊기며 동일한 전류값을 지닌다.

 

 

따라서 이후 구간부터는 추가적인 Drain 전압이 인가되어도 $I_{D}$는 증가하지 않는다.

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마지막으로 MOSFET 동작 영역에서 $V_{G}$ 와 $V_{D}$의 조합에 따른 상태를 그래프로서 확인해보자.

 

$V_{G}$ 와 $V_{D}$에 따른 상태

 

- $V_{G} < V_{T}$ = 전류가 발생하지 않는다 (cut off)

- $V_{G} > V_{T}$

1. $V_{D} < V_{G} - V_{T}$ = linear

2. $V_{D} = V_{G} - V_{T}$ = pinch - off (노란 점선)

3. $V_{D} > V_{G} - V_{T}$ = saturation