간략한 요약
이 비디오에서는 트랜지스터 MOSFET의 기본 원리와 작동 방식을 설명합니다. MOSFET은 전압을 사용하여 저항을 제어하는 반도체 소자이며, 소스, 드레인, 게이트의 세 단자로 구성됩니다. 게이트 전압을 조절하여 드레인 전류를 제어하며, 특정 전압 이상에서는 전류가 더 이상 증가하지 않는 전류원 특성을 가집니다.
- MOSFET은 Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor의 약자입니다.
- 게이트 전압으로 드레인 전류를 제어하는 전압 제어 저항입니다.
- 핀치-오프 현상으로 인해 특정 전압 이상에서는 전류가 일정하게 유지되는 전류원 특성을 가집니다.
MOSFET이란?
MOSFET은 Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor의 약자로, 금속, 산화물, 실리콘 구조를 가지며 전계를 이용하여 저항을 제어하는 트랜지스터입니다. 트랜지스터는 전류를 제어하는 역할을 하며, MOSFET은 소스, 드레인, 게이트의 세 단자로 구성됩니다. 소스는 캐리어를 제공하는 단자, 드레인은 캐리어를 받아들이는 단자를 의미하며, 게이트에 전압을 가하여 드레인과 소스 사이의 전류 흐름을 제어합니다. MOSFET은 단극성 트랜지스터로, 게이트 전압의 크기에 따라 드레인 전류의 양이 조절됩니다. 전압으로 전류를 제어하기 때문에 트랜스컨덕턴스 증폭기라고도 불립니다.
MOSFET 동작원리: 채널 형성 과정
MOSFET의 작동 원리는 금속, 산화물, 실리콘 세 가지 물질을 쌓아 만든 구조에서 시작됩니다. 실리콘은 붕소로 도핑된 P형 반도체로, 내부에 정공이 전자보다 훨씬 많습니다. 금속에 양의 전압을 가하면 산화물 아래 P형 반도체의 정공들이 밀려나면서 공핍 영역이 생성됩니다. 전압을 더 강하게 가하면 P형 반도체 내부에 있던 자유 전자들이 금속의 양전압에 이끌려 N-채널을 형성합니다. 이 N-채널을 형성하는 전압을 문턱 전압(threshold voltage)이라고 합니다. 문턱 전압 이상의 전압을 가하면 N-채널이 두꺼워지면서 채널의 저항이 낮아져 전류가 더 잘 흐르게 됩니다.
MOSFET 동작원리: 전압과 전류 관계
게이트 전압과 드레인 전류의 관계를 살펴보면, 게이트 전압이 문턱 전압에 도달하기 전까지는 드레인 전류가 흐르지 않습니다. 문턱 전압 이상이 되면 전류가 흐르기 시작하며, 게이트 전압이 높을수록 채널이 넓어져 전류가 더 많이 흐릅니다. 드레인 전압과 드레인 전류의 관계에서는 게이트 전압이 충분히 높은 상태에서 드레인 전압을 서서히 증가시키면 전류가 흐르기 시작합니다. 하지만 드레인 전압을 계속 증가시켜도 특정 시점 이후에는 전류가 더 이상 증가하지 않는 현상이 발생합니다.
MOSFET 동작원리: 전류원이 되는 이유
드레인 전압을 증가시켜도 전류가 더 이상 증가하지 않는 이유는 핀치-오프(pinch-off) 현상 때문입니다. 드레인 전압이 증가하면 채널 내 전압 분포가 달라져 소스 단자 쪽은 게이트와의 전압 차이가 커서 채널이 두껍게 형성되지만, 드레인 단자 쪽은 전압 차이가 작아 채널이 형성되지 않습니다. 이로 인해 채널이 끊어지는 핀치-오프 현상이 발생합니다. 핀치-오프 이후에도 드레인 전압을 계속 증가시키면 채널의 길이가 점차 줄어들고, 공핍 영역이 생겨 저항이 증가합니다. 채널 저항과 공핍 영역 저항의 합이 일정하게 유지되면서 드레인 전류가 일정하게 유지되는 전류원 특성을 나타냅니다. MOSFET은 증폭기로 사용될 때 주로 포화 영역에서 동작하며, 게이트 전압을 조절하여 드레인 전류를 제어합니다.
