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문턱 전압

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문턱 전압(Threshold Voltage, Vth 또는 VGS(th))은 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)에서 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르기 시작하는 최소 게이트-소스 전압을 의미합니다.
동작 원리:


  • 문턱 전압 이하: 게이트-소스 전압이 문턱 전압보다 낮으면, 트랜지스터는 꺼진(OFF) 상태가 되어 소스와 드레인 사이에 전류가 거의 흐르지 않습니다.
  • 문턱 전압 이상: 게이트-소스 전압이 문턱 전압보다 높아지면, 트랜지스터의 채널 영역에 반전층(inversion layer)이 형성되어 전도성 경로가 생성됩니다. 이로 인해 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르기 시작하며, 트랜지스터는 켜진(ON) 상태가 됩니다.

정의 및 특징:

  • MOSFET에서 소스와 드레인 단자 사이에 전도성 경로를 생성하는데 필요한 최소 게이트-소스 전압(VGS)입니다.
  • p형 기판이 n형(채널)으로 변했을 때, 즉 반전(Inversion)이 발생하는 순간의 전압입니다.
  • Substrate 표면에 소수 캐리어 (minority carrier)에 의해 Inversion layer가 형성되는 순간의 게이트 전압입니다.

문턱 전압 이하 전도:

  • 트랜지스터가 문턱 전압 아래의 게이트-소스 전압, 즉 약반전 영역에 있을 때 MOSFET의 소스와 드레인 사이의 전류를 의미합니다.
  • MOS 장치의 드레인 전류는 게이트 전압에 따라 변하기 때문에 임계 전압에 도달해도 전도가 즉시 0이 되지는 않고, 문턱 전압 이하의 게이트 전압과 관련하여 동작을 계속합니다.

영향을 미치는 요인:

  • 기판 도핑 농도
  • 산화막 두께
  • 온도
  • 드레인-소스 전압 (VDS) - 최신 나노미터급 MOSFET에서는 드레인 유도 장벽 저하로 인해 문턱 전압의 정의가 불분명

응용 분야:

  • 디지털 회로에서는 트랜지스터의 스위칭 동작을 제어하는 중요한 요소입니다.
  • 저전력 아날로그 회로 설계에서 활용됩니다.



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