장효과 트랜지스터

3. 기본 정보

FET는 전류가 주로 다수 캐리어에 의해 전달되는 다수 전하 캐리어 소자이거나, 전류가 주로 소수 캐리어의 흐름에 기인하는 소수 전하 캐리어 소자일 수 있다.^[45] 이 소자는 전하 캐리어인 전자 또는 정공이 소스에서 드레인으로 흐르는 활성 채널로 구성된다. 소스 및 드레인 단자 도체는 옴 접촉을 통해 반도체에 연결된다. 채널의 전도도는 게이트와 소스 단자 간에 가해지는 전위의 함수이다.

FET의 세 가지 단자는 다음과 같다.^[46]

#'''소스(S)''': 캐리어가 채널로 들어가는 곳. 일반적으로 S에서 채널로 들어가는 전류는 I_S로 표시된다.

#'''드레인(D)''': 캐리어가 채널을 떠나는 곳. 일반적으로 D에서 채널을 떠나는 전류는 I_D로 표시된다. 드레인-소스 전압은 V_DS이다.

#'''게이트(G)''': 채널 전도도를 조절하는 단자. G에 전압을 가하여 I_D를 제어할 수 있다.

FET는 게이트와 소스 단자에 가해지는 전압(또는 전압 부재)에 의해 생성되고 영향을 받는 "전도 채널"의 크기와 모양에 영향을 미쳐 소스에서 드레인으로의 전자 (또는 전자 정공) 흐름을 제어한다. (이 설명에서는 편의상 바디와 소스가 연결되어 있다고 가정한다.) 이 전도 채널은 전자가 소스에서 드레인으로 흐르는 "흐름"이다.

3. 1. 단자

3. 2. 채널

4. 종류

[[File:https://cdn.onul.works/wiki/source/1952eb1bf5f_cba481b4.png|thumb|right|300px|일반적인 전압에서의 공핍형 FET: JFET, 폴리실리콘 MOSFET, 이중 게이트 MOSFET, 금속 게이트 MOSFET, MESFET.

상단: 소스, 하단: 드레인, 왼쪽: 게이트, 오른쪽: 벌크. 채널 형성을 유도하는 전압은 표시되지 않았습니다.]]

FET는 게이트 접합부의 구조, 게이트 전압과 드레인 전류의 관계, 채널의 극성 등에 따라 분류할 수 있다.

== 게이트 접합부의 구조에 의한 분류 ==

• 금속 산화막 반도체형(MOSFET)은 게이트 부분이 반도체의 산화 피막 위의 금속 전극으로 되어 있다. 현재의 집적 회로에서 주류를 이루고 있는 소자이며, p/n 모두 같은 형태를 가지는 회로의 경우에는 양형을 모아서 CMOS형(상보형 MOS)이라고 부른다. MOSFET은 게이트와 본체 사이에 절연체를 사용하며, MNOS는 게이트와 본체 사이에 질화물-산화물 층 절연체를 사용한다.^[55] DGMOSFET(이중 게이트 MOSFET)은 두 개의 절연 게이트가 있는 MOSFET이다.
• 접합형(JFET)은 게이트 부분이 pn 접합으로 되어 있다. MOS와 동작 원리가 달라서 접합면에 생기는 공핍층에 의하여 전류를 제어한다. 정전 유도 트랜지스터(SIT)는 짧은 채널을 가진 JFET의 한 유형이다.
• 금속 반도체형(MESFET)은 게이트 부분이 금속 전극과 반도체의 직접 접합(쇼트키 접합)으로 되어 있다. HEMT(고전자 이동도 트랜지스터)는 밴드갭 엔지니어링을 사용하여 AlGaAs와 같은 3원 반도체로 만들 수 있다. 완전히 고갈된 광대역갭 재료는 게이트와 본체 사이의 절연을 형성한다.

• IGBT (절연 게이트 양극성 트랜지스터)
• JLNT (접합이 없는 나노와이어 트랜지스터)
• ISFET (이온 감지 전계 효과 트랜지스터)
• BioFET (생물학적으로 민감한 전계 효과 트랜지스터)^[55]
• DNAFET (DNA 전계 효과 트랜지스터)
• finFET, GAAFET
• DEPFET
• FREDFET
• HIGFET (이종 구조 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터)^[56]
• MODFET (변조 도핑 전계 효과 트랜지스터)
• TFET (터널 전계 효과 트랜지스터)^[57]
• TQFET (위상 양자 전계 효과 트랜지스터)^[58]
• NOMFET는 나노입자 유기 메모리 전계 효과 트랜지스터이다.^[59]
• GNRFET (그래핀 나노리본 전계 효과 트랜지스터)^[60]
• VeSFET (수직 슬릿 전계 효과 트랜지스터)^[61]
• CNTFET (탄소 나노튜브 전계 효과 트랜지스터)
• OFET (유기 전계 효과 트랜지스터)
• QFET (양자 전계 효과 트랜지스터)
• SB-FET (쇼트키 장벽 전계 효과 트랜지스터)^[62][63]
• GFET^[64]
• Fe FET
• VTFET 또는 수직 수송 전계 효과 트랜지스터^[65]

• 인핸스먼트형(enhancement type) = 노멀리 오프형 (normally off type): 게이트 전압을 걸지 않을 때 채널이 존재하지 않아 드레인 전류가 흐르지 않는다. MOSFET의 대부분이 여기에 해당하며, 회로도 기호에서는 세로 막대를 끊어서 노멀리 오프임을 표현한다. 바이폴라 트랜지스터의 동작 특성과 유사하다.

• 디플리션형(depletion type) = 노멀리 온형 (normally on): 게이트 전압을 걸지 않을 때 채널이 존재하여 드레인 전류가 흐른다. 역전압(핀치오프 전압)이 걸리면 전류가 멈춘다. 진공관의 동작 특성과 유사하며, JFET는 모두 여기에 해당한다. 디스크리트 MOSFET에서는 널리 시판되는 것 중 극히 일부의 고주파 소신호용 품종뿐이다. 집적 회로 기술로 CMOS가 일반화되기 이전에는 디플리션 로드 NMOS의 Vdd 측에 사용하는 용법이 있었으며, Z80 등 8비트 시대, 혹은 16비트 시대 초기의 마이크로프로세서의 일부 오리지널 버전이 이에 해당한다.

• 제로 스레스홀드: 문턱 전압이 거의 0V 부근에 있도록 제조 시에 조정된 MOSFET이다. 문턱 전압은 제조 편차가 비교적 크기 때문에, 종래에는 그러한 시판 제품은 없었지만, 근년의 기술 개발에 의해 시판되게 되었다.

4. 1. 게이트 접합부의 구조에 의한 분류

• IGBT (절연 게이트 양극성 트랜지스터)
• JLNT (접합이 없는 나노와이어 트랜지스터)
• ISFET (이온 감지 전계 효과 트랜지스터)
• BioFET (생물학적으로 민감한 전계 효과 트랜지스터)^[55]
• DNAFET (DNA 전계 효과 트랜지스터)
• finFET, GAAFET
• DEPFET
• FREDFET
• HIGFET (이종 구조 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터)^[56]
• MODFET (변조 도핑 전계 효과 트랜지스터)
• TFET (터널 전계 효과 트랜지스터)^[57]
• TQFET (위상 양자 전계 효과 트랜지스터)^[58]
• NOMFET는 나노입자 유기 메모리 전계 효과 트랜지스터이다.^[59]
• GNRFET (그래핀 나노리본 전계 효과 트랜지스터)^[60]
• VeSFET (수직 슬릿 전계 효과 트랜지스터)^[61]
• CNTFET (탄소 나노튜브 전계 효과 트랜지스터)
• OFET (유기 전계 효과 트랜지스터)
• QFET (양자 전계 효과 트랜지스터)
• SB-FET (쇼트키 장벽 전계 효과 트랜지스터)^[62][63]
• GFET^[64]
• Fe FET
• VTFET 또는 수직 수송 전계 효과 트랜지스터^[65]

4. 2. 게이트 전압과 드레인 전류에 의한 분류

• 인핸스먼트형(enhancement type) = 노멀리 오프형 (normally off type): 게이트 전압을 걸지 않을 때 채널이 존재하지 않아 드레인 전류가 흐르지 않는다. MOSFET의 대부분이 여기에 해당하며, 회로도 기호에서는 세로 막대를 끊어서 노멀리 오프임을 표현한다. 바이폴라 트랜지스터의 동작 특성과 유사하다.

• 디플리션형(depletion type) = 노멀리 온형 (normally on): 게이트 전압을 걸지 않을 때 채널이 존재하여 드레인 전류가 흐른다. 역전압(핀치오프 전압)이 걸리면 전류가 멈춘다. 진공관의 동작 특성과 유사하며, JFET는 모두 여기에 해당한다. 디스크리트 MOSFET에서는 널리 시판되는 것 중 극히 일부의 고주파 소신호용 품종뿐이다. 집적 회로 기술로 CMOS가 일반화되기 이전에는 디플리션 로드 NMOS의 Vdd 측에 사용하는 용법이 있었으며, Z80 등 8비트 시대, 혹은 16비트 시대 초기의 마이크로프로세서의 일부 오리지널 버전이 이에 해당한다.

• 제로 스레스홀드: 문턱 전압이 거의 0V 부근에 있도록 제조 시에 조정된 MOSFET이다. 문턱 전압은 제조 편차가 비교적 크기 때문에, 종래에는 그러한 시판 제품은 없었지만, 근년의 기술 개발에 의해 시판되게 되었다.

4. 3. 채널의 극성에 의한 분류

5. 동작 원리

이론적으로 n형과 p형의 차이는 드레인-소스간의 전류에 기여하는 캐리어의 차이 뿐이다.^[71][72]

MOSFET에서는 게이트와 기판(substrate^영어) 사이에 구성된 축전기에 의하여 게이트 정전압이 인가되었을 경우 p형 기판과 절연층의 경계면에 전자를 끌어들여 드레인-소스사이에 반전층(n형)을 만들어내는 일로 소스-드레인사이를 고컨덕턴스가 되게 한다. 드레인-소스간 전압이 비교적 낮고 게이트-드레인사이의 전압이 문턱 전압을 넘은 상태; 즉 게이트-소스 전압에서 문턱 전압을 뺀 값보다 낮은 상태이며 반전층이 드레인-소스사이에 걸려서 마치 저항같은 기능을 가지게되며 이를 선형 영역이라고 부른다.

5. 1. 전력 MOSFET

6. 성질

6. 1. 전기적 특성 (대신호)

• 차단 상태: 일 때, 드레인 전류($I\_d$)는 0이다.
• 선형 상태: 일 때, 드레인 전류는 다음 식을 따른다.

• 포화 상태: $V\_\{ds\}\; >\; V\_\{gs\}\; -\; V\_t$ 일 때, 드레인 전류는 다음 식을 따른다.

• 브레이크다운: $V\_\{ds\}\; >\; BV$ ($BV$는 브레이크다운 전압)일 때, 소자 파괴에 이르기까지 전류가 증가한다.

• $K\text{'}\; =\; \backslash mu\_n\; C\_\{OX\}$: n형 MOS의 경우
• $K\text{'}\; =\; \backslash mu\_p\; C\_\{OX\}$: p형 MOS의 경우
• $C\_\{OX\}$: 단위 면적 주위의 게이트 산화막 크기
• $\backslash mu\_n$: 전자 이동도
• $\backslash mu\_p$: 양공 이동도
• $\backslash lambda$: 채널장 변장 계수

6. 2. 전기적 특성 (소신호)

• $\backslash textstyle\; g\_m\; =\; \backslash frac\{d\; i\_d\}\{d\; v\_\{gs\}\}$
• $\backslash textstyle\; g\_\{ds\}\; =\; \backslash frac\{d\; i\_d\}\{d\; v\_\{ds\}\}$
• $\backslash textstyle\; g\_\{mbs\}\; =\; \backslash frac\{d\; i\_d\}\{d\; v\_\{sb\}\}$

• $\backslash textstyle\; C\_\{gs\}\; =\; C\_\{gsi\}\; +\; C\_\{gsov\}$
• $\backslash textstyle\; C\_\{gd\}\; =\; C\_\{gdi\}\; +\; C\_\{gdov\}$
• $\backslash textstyle\; C\_\{sb\}\; =\; C\_\{sbi\}\; +\; C\_\{sbj\}$
• $\backslash textstyle\; C\_\{db\}\; =\; C\_\{dbi\}\; +\; C\_\{dbj\}$

• $\backslash textstyle\; C\_\{\backslash ast\; \backslash ast\; ov\}$: 오버랩 전기 용량
• $\backslash textstyle\; C\_\{\backslash ast\; \backslash ast\; j\}$: 접합 용량
• $\backslash textstyle\; C\_\{\backslash ast\; \backslash ast\; i\}$는 고유 용량(intrinsic capacitance}})을 표시하며, 그 값은 동작 영역에 따라 변화한다.

• $\backslash textstyle\; C\_\{gbi\}\; =\; W\; L\; C\_\{ox\}$
• $\backslash textstyle\; C\_\{gsi\}\; =\; C\_\{gdi\}\; =\; C\_\{bsi\}\; =\; C\_\{dbi\}\; =\; 0$

• $\backslash textstyle\; C\_\{gsi\}\; =\; \backslash frac\{1\}\{2\}\; W\; L\; C\_\{ox\}\; \backslash left(\; 1\; +\; \backslash frac\{1\}\{3\}\; \backslash frac\{V\_\{ds\}\}\{V\_\{dsat\}\}\; \backslash right)$
• $\backslash textstyle\; C\_\{gdi\}\; =\; \backslash frac\{1\}\{2\}\; W\; L\; C\_\{ox\}\; \backslash left[\; 1\; -\; \backslash left(\; \backslash frac\{V\_\{ds\}\}\{V\_\{dsat\}\}\; \backslash right)^2\; \backslash right]$
• $\backslash textstyle\; C\_\{bsi\}\; =\; \backslash frac\{1\}\{2\}\; n\; W\; L\; C\_\{ox\}$
• $\backslash textstyle\; C\_\{bdi\}\; =\; \backslash frac\{1\}\{2\}\; n\; W\; L\; C\_\{ox\}\; \backslash left(\; 1\; -\; \backslash frac\{V\_\{ds\}\}\{V\_\{dsat영어\backslash right)$

• $\backslash textstyle\; C\_\{gsi\}\; =\; \backslash frac\{2\}\{3\}\; W\; L\; C\_\{ox\}$
• $\backslash textstyle\; C\_\{gdi\}\; =\; 0$
• $\backslash textstyle\; C\_\{bsi\}\; =\; \backslash frac\{1\}\{2\}\; n\; W\; L\; C\_\{ox\}$
• $\backslash textstyle\; C\_\{bdi\}\; =\; 0$

7. n형 채널 접합형 FET의 모델

접합형 FET(JFET)는 게이트 단자를 드레인-소스 양 단자보다 낮은 전압으로 사용한다. 이때 게이트 단자는 높은 임피던스로 거의 전류를 흘리지 않으므로, 드레인에서 소스로 흐르는 전류 만을 고려한다. 소스 전압을 기준으로 게이트 전압을 , 드레인 전압을 로 나타내면, 는 이들의 함수로 모델링된다. (단, )

는 '''옴 영역''' (ohmic region^영어, 또는 '''선형 영역''' ), '''포화 영역''' (saturation region^영어), '''핀치오프 영역''' (pinch-off region^영어)의 세 영역으로 나누어 정의한다.

• '''핀치오프 영역'''은 게이트 전압이 '''핀치오프 전압''' (''V''_p/pinch-off voltage}}) {{Math^영어 이하인 영역이다. 이 영역에서는 전계에 의해 채널에 캐리어가 존재하지 않게 되어 (공핍층), 드레인-소스 간에 전류가 흐르지 않는다. 즉,

• '''포화 영역'''은 게이트 전압이 핀치오프 전압보다 크고, 드레인 전압이 핀치오프 전압에서 본 게이트 전압보다 큰 영역이다. 이 영역에서 드레인-소스 전류는 게이트 전압만의 함수이며, 드레인 전압에 관계없이 일정하다. 핀치오프 전압에서 측정했을 때, 이상적으로 제곱의 특성을 가지며, 식으로 나타내면 다음과 같다.

• '''옴 영역'''에서는 드레인 전압이 일정하면 드레인-소스 전류는 게이트 전압과 함께 1차적으로 증가한다. 드레인 전압에 관해서는, 0일 때 드레인-소스 전류가 0이 되며, 드레인 전압과 함께 위로 볼록한 2차 곡선을 그리며 비선형적으로 증가한다. 모델상으로는 포화 영역에서의 게이트 전압 상승에 따른 전류 증가와, 옴 영역에서의 드레인 전압 감소에 따른 전류 감소는 부호를 반대로 하여 제곱의 오더로 완전히 동일하다. 즉,

8. 용도

MOSFET는 집적 회로의 필수적인 소자이며, 디지털 회로와 아날로그 회로 모두에서 널리 사용된다. 전계 효과 트랜지스터(FET)는 그 전기적 특성으로 인해 스위칭 소자나 증폭 소자로 이용된다. 특히 MOSFET는 소비 전력을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 구조가 평면적이기 때문에 바이폴라 트랜지스터와 비교하여 제조 및 집적화가 용이하다.

디지털 회로에서는 논리 회로의 기본 소자로 연산 처리 장치, 기억 소자로서 사용되며, 아날로그 회로에서는 무선 LAN 등에 대표되는 통신 분야의 트랜시버에서 송수신에 사용되는 각종 회로(, 필터, 믹서 등)로서 사용되며, 아날로그 스위치나 전자 볼륨 등에도 응용된다. 극초단파 이상에서는 실리콘보다 캐리어의 이동도가 높은 갈륨 비소 (GaAs)와 같은 화합물 반도체 등을 사용한 전계 효과 트랜지스터(FET)가 사용되고 있다.

FET에서 전자는 선형 모드에서 작동할 때 채널을 통해 어느 방향으로든 흐를 수 있다. 이는 FET를 경로 간에 아날로그 신호를 전환하는 데 적합하게 만든다(멀티플렉싱). FET는 일반적으로 증폭기로 사용된다. 예를 들어, 높은 입력 저항과 낮은 출력 저항으로 인해 공통 드레인 (소스 팔로워) 구성에서 버퍼로 효과적이다.

JFET는 게이트 전압이 일정하면 드레인 전류가 일정한 성질을 가지므로, 회로에 직렬로 연결하면 항상 일정한 전류가 흐르는 정전류 소자로 사용할 수 있다. 이를 이용하여 JFET의 게이트를 소스와 직결하여 2단자화한 부품을 정전류 다이오드라고 한다. 정전류 다이오드는 순방향 사용으로 정전류 성능을 발휘하며, 발광 다이오드의 전류 제한 등에 이용된다. 다이오드라는 이름으로, 패키지도 다이오드와 같은 것을 사용하지만, 원래의 다이오드와는 구조가 전혀 다르며, 역방향 전류를 제한하는 정류 작용도 없다.

8. 1. 정전류 다이오드

9. 장점 및 단점

9. 1. 장점

9. 2. 단점

참조

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_[71] 문서 즉 소스, 드레인의 명칭은 캐리어(carrier)의 도통 방향(캐리어의 발생원이 소스, 캐리어의 행선지가 드레인)에 의해 결정됨
_[72] 문서 전력 MOSFET에서는 기생 다이오드가 생기는 구조로 역방향 동작은 정방향보다 제한된다.