Top 6 Mosfet 드레인 전류 The 200 Correct Answer

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[기초반도체공학|5.1] MOSFET : #정성적해석 #동작원리 #수식없이 #NMOS #PMOS
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MOSFET 구성, 동작, Drain 전류

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[반도체 특강] 채널이 만들어 내는 반도체 동작특성, 드레인 전류의 변화

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6강. MOSFET

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6강. MOSFET
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포화 영역 [MOS]

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포화 영역 [MOS]
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포화 영역 [MOS]

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MOSFET I-V 특성 정리

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MOSFET I-V 특성 정리

NMOS와 PMOS 트랜지스터 차이점 정리

NMOS 트랜지스터의 바이어스 방식

Cut-off 영역 (컷오프 영역)

Triode 영역 (선형옴 영역)

Saturation 영역 (포화 영역)

I-V 특성 곡선

MOSFET 종류에 따른 영역 구별

MOSFET I-V 특성 정리
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MOSFET 구성, 동작, Drain 전류

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1. MOSFET의 구성

○ MOSFET은 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor로 금속, 산화막, 단도체로 이루어진 전계 트랜지스터입니다. 또한 Source, Drain, Gate, Body 네 개의 단자로 이뤄져 있습니다.

1) Gate

○ Metal로 이뤄진 전도성 판으로 채널 형성을 조절하는 역할을 합니다.

○ 초기 MOSFET 제작 당시 Gate는 Metal로 이뤄져 있었느냐 Metal을 사용 시 공정 상 고온 공정을 할 수 없어 Poly 전극으로 대체되었습니다. 그리고 현재는 반도체의 동작전압 문제로 다시 Metal을 사용하고 있습니다.

2) Source/Drain

○ Nmos 기준으로 고농도 N으로 도핑되어 있으며, 전압을 인가하는 쪽이 Drain이 됩니다.

○ 반대로 Pmos의 경우 P로 도핑되어 있습니다.

3) Body

○ N-Type의 경우 P-type으로 P-type의 경우 N-type으로 도핑되어 있습니다.

○ 다시말해 Source/Drain과 반대되는 type으로 도핑되어 있다고 생각하시면 됩니다.

○ Body는 Source와 같은 값을 인가합니다.

○ Body에 전극을 사용하는 이유는 서로 다른 Type으로 도핑된 Source와 Body 사이에 PN 접합처럼 전류가 흐를 수 있기 때문입니다.

○ 예를 들어 N-type MOSFET의 경우 Source는 N-type으로 Body는 P-type으로 도핑되어 있습니다. 이때 전극이 연결되지 않은 Body가 Source보다 전압이 높을 때(N-type에 마이너스 전압이 인가되었을 때) PN 다이오드 동작 모드와 같게 됩니다. 이에 누설 전류가 생길 수 있습니다.

○ 이러한 이유로 Body와 Source를 묶어서 같은 값은 인가하게 됩니다.

2. MOSFET 동작

1) Cut off

○ Vth > Vgs인 상태로 채널이 형성되지 않아 전류가 흐르지 않는 상태입니다.

2) Triode(=Linear)

○ Vgs > Vth이며, Vgs-Vth > Vds 인 상태입니다.

○ 채널이 형성되어 Id가 흐릅니다.

○ Vds 값이 증가할수록 Id가 증가합니다.

○ Vgs에 +전압 인가시 Oxide와 P-type 반도체가 접촉하는 부분에 정공이 밀려나고 N 채널이 형성됩니다.

○ 이는 그림 (a)와 그림 (b)에서 확인할 수 있습니다.

3) Saturation(포화)

○ Vgs > Vth이지만, Vds > Vgs-Vth인 상태입니다.

○ Vds = Vgs-Vth 일 때 Pinch off(핀치 오프) 현상이 발생하게 되는데, 이 시점부터 Vds의 값을 높여도 Ids 값이 증가하지 않습니다. 즉 Saturation 상태에 들어가는 것을 확인할 수 있습니다.

○ 이는 그림 (c)와 그림 (d)에서 확인할 수 있습니다.

3. MOSFET 전류 공식

1) Linear=Triode 영역

○ Id = µnCox” W/L [(Vgs-Vth) – 1/2 Vds]∗Vds

2) Saturation 영역

○ Id =” 1/2 µnCox W/L (Vgs-Vth)^2

3) 설명

○ Id = Drain 전류입니다.

○ µn = 전자의 이동도입니다. 반대로 홀의 이동도는 µp로 적습니다.

○ Cox = oxide의 cap 값입니다.

○ W = 채널의 Width입니다.

○ L = 채널의 Length입니다.

○ 따라서 드레인 전류는 채널의 Width가 클수록, Length가 짧을수록, Oxide의 Cap 값이 클수록, 전자 이동도가 클수록 커지는 현상을 갖고 있습니다.

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MOSFET I-V 특성 , MOSFET Drain Current Equation ( 모스펫 드레인 전류방정식 ) — (3)

최종식이 나오기 전에 중간까지 식을 도출 했었다. 그 식을 보고 다음 단계로 넘어가야 한다.

부정적분은 적분 구간이 없는 적분이고, 적분 구간이 정해진 적분을 정적분 이라고 한다. 구간이 정해진 정적분을 이용해 위의 중간 단계의 방정식을 더 진전 시키기로 한다.

1. 피적분 대상이 상수일 때의 정적분 구하는 공식

2. 피적분이 간단한 함수 x 일 때 정적분 구하는 공식

채널이 미소구간이면 0~L 까지가 적분 구간이고, 전압이 미소구간이면 소스의 0V에서 드레인 전압까지가 적분 구간이 된다. 그래서 식은 아래와 같이 정적분을 해 달라고 요구하는 단계로 들어 선다.

간단하게 정적분으로 식을 처리하자. 양쪽에 적분을 해 준다. 왼쪽항은 거리에 대한 적분이 되고, 오른쪽 항은 전압에 대한 적분이 된다. 각각의 항에서 거리와 거리에 따른 전압에 대한것을 제외하고는 모두 상수로 처리한다. V GS 나 V TH 는 상수로 처리한다.

따라서,

그러므로 최종적인 식은,

이와 같이 번잡하지만 일반식이 유도 되었다. 그러나 이것이 다가 아니다. 좀 더 사고를 진행시켜 줘야 한다. 전달특성에서 두 가지 영역이 있었다. 하나는 직선적으로 변하는 트라이오드 또는 오옴구간, 다른 하나는 드레인 전류가 일정하게 유지되는 포화영역이 있었다. 따라서 드레인 정류 방정식은 영역에 따라 형태가 좀 바뀐다.

트라이오드 영역에서는 드레인-소스 전압이 작고, 게이트-소스 전압이 지배적으로 크다. 따라서 일반식은 트라이오드 영역에서는 아래와 같이 사용한다.

– 트라이오드 영역에서의 드레인 전류 방정식

포화영역에서는 드레인-소스 전압이 커지고, 게이트-소스 전압이 상대적으로 아주 작다. 그러나 잘 보아야 할 것은 핀치오프 점에서부터 드레인 전압은 약간 기울기( 이 기울기는 채널길이 변조와 관련이 있다. )가 있지만 무시하고 평탄하다고 간주하기 때문에 핀치 오프때만 확인해 주면 그 이후에 드레인-소스 전압이 커진다고 하더라도 드레인 전류에 대한 방정식은 동일하다고 생각해도 된다. 핀치 오프때의 드레인-소스 전압은 다음과 같아 진다. V DS =V GS -V TH .

– 포화 영역에서의 드레인 전류 방정식

식을 가만히 보면 너무 복잡하기 때문에 숫자로 대치 할 수 있는 부분을 아래와 같이 쓰기도 한다. 이를 공정 트랜스컨덕턴스 파라메터 ( process transconductance parameter )라고 불러 준다. 제조공정에 따라 얻어지는 파라메터이다.

또는

로 묶어서 모스펫 트랜스컨덕턴스파라메터 ( MOSFET transconductance parameter )라고 불러 주며, 소자 설계자에 의해 주어지는 파라메터이다. 공정 트랜스컨덕턴스에 비해 채널 길이( L )나 폭( W )은 설계에 의해 변경시킬 수 있기에 명칭을 나누어 준것 같다.

이제 드레인 전류 방정식이 어느정도까지 타당한지 검토해 보아야 한다. 어느정도라는 말속에는 불완전한 하다는 의미를 포함하고 있다.

먼저 자료에서 보듯이 드레인 전류 방정식의 그래프를 그려 보아야 한다. 드레인-소스 전압이 독립변수( 수학에서 흔히 쓰는 x )가 되고, 드레인 전류가 함수 값( 수학에서 흔히 쓰는 y )이 된다. 대충의 모양을 보기 위해 우수리를 빼고 식을 x-y관계식으로 바꾸어 보기로 한다.

위의 간단한 형태의 방정식으로 그래프의 윤곽만을 보면,

2차 방정식이기 때문에 위나 아래로 볼록 하게 될 것인데, 2차 변수가 (-) 이기 때문에 사발이 엎어진 그래프를 얻게 된다.

p일 때 최대값이 된다. 위의 식에서 p=V GS -V TH 으로 대체 하였으므로, 결국 드레인전류 방정식의 최대값은 x=V GS -V TH 일 때이다. 다시 말해 x는 V DS 임을 알수 있다.

​ 위의 드레인 전류 방정식의 그림에서 알 수 있듯이 드레인 전류방정식이 일반식이라는 말이 무색할 정도로 매우 불완전 한 일반식이라는 것을 확인 할 수 있다. NMOS 전달특성을 완전히 표현해 주지는 못하고 있다.

엎어 놓은 포물선 형태이기 때문에 드레인 전류 방정식은 V DS =V GS -V TH 영역까지만 타당하고 그 이후는 타당하지 않음을 알 수 있다. V DS >V GS -V TH 영역에서는 약간의 기울기가 있지만 핀치오프 일 때의 전류를 그대로 유지한다고 간주해야 한다.

또한가지 방정식에서 유추할 수 있는 것은 NMOS의 도통저항이다. 트라이오드 영역에서의 식은 아래와 같다고 했다.

따라서 전압이나 전류가 있으면 저항이 얻어지므로, 저항은 R=V/I 이고, 위의 식에서 관찰해 보면 출력쪽에 관계된 전류와 전압을 구별해서 찾아 주어야 한다.

드레인 전류 방정식을 힘겹게 얻었지만 이 방정식으로 채널길이 변조라는 내용도 더불어 알아주게 된다.

2019.8.14일 부터 유튜브를 시작 합니다.

https://www.youtube.com/channel/UCAZYdZIdGRwxurY4R8Fm36w/videos

MOSFET 사양에 관한 용어집 ｜ TechWeb

지금까지 MOSFET의 특징 및 특성에 대해 설명했습니다. MOSFET에 한정되는 것은 아니지만, 사양서 (데이터시트)에는 전기적 사양 (SPEC)이 기재되어 있으며, 파라미터 용어와 함께 보증치 등이 제시되어 있습니다. 하기에 MOSFET에 사용되는 파라미터에 대해 정리하였습니다.

파라미터 용어, 기호 등은 메이커에 따라 다른 경우가 있으므로 주의하여 주십시오. 또한, 조건 설정과 관련하여 해당 항목에 대한 정의에는 다소 차이가 있는 경우가 있습니다. 따라서, 이러한 부분은 사양서에 제시되어 있는 측정 조건 등을 확인하여, 구체적인 내용을 이해하는 것이 좋습니다.

●절대 최대 정격

파라미터 용어 기호 정의 및 설명 드레인 – 소스 전압 V DSS 게이트 – 소스가 단락 상태일 때, 드레인 – 소스에 인가할 수 있는 전압의 최대치 드레인 전류 (직류) I D 지정 조건에서, 드레인 – 소스에 형성되는 채널에 연속적으로 흘릴 수 있는 직류 전류의 최대치 드레인 전류 (펄스) I DP 안전 동작 영역으로 지정된 펄스 폭 및 듀티 비율일 때, 드레인 – 소스에 형성되는 채널에 펄스적으로 흘릴 수 있는 전류의 최대치 게이트 – 소스 전압 V GS 게이트 – 소스에 인가할 수 있는 전압의 최대치 Avalanche 전류 (단발) I AS Avalanche 항복 시에 허용되는 드레인 전류의 최대치 Avalanche 에너지 (단발) E AS Avalanche 항복 시에 허용되는 에너지의 최대치 허용 손실 P D 지정 조건에서, MOSFET에 허용되는 전력 손실의 최대치 Junction 온도 T j 소자 동작 시에 허용 가능한 Junction 온도의 최대치 보존온도 T stg 소자에 전기적 부하를 주지 않고 보존 또는 수송 가능한 온도 범위

●열저항

파라미터 용어 기호 정의 및 설명 열저항 (Junction – 케이스) R thJC 소자의 Junction에서 케이스 이면까지의 열저항치 열저항 (Junction – 주위) R thJA 소자의 Junction에서 주위 환경까지의 열저항치 실장 온도 (웨이브 솔더링) T sold MOSFET 실장 시의 솔더 용융 온도의 최대치

●전기적 특성

파라미터 용어 기호 정의 및 설명 드레인 – 소스 항복 전압 V (BR)DSS 게이트 – 소스가 단락 상태일 때, 기생 다이오드가 브레이크다운을 일으켜, 드레인 – 소스에 전류가 흐르기 시작하는 전압 드레인 – 소스 항복 전압 온도 계수 ⊿V (BR)DSS /⊿T j 드레인 – 소스 항복 전압의 온도 계수 드레인 차단 전류 I DSS 지정 조건에서, 게이트 – 소스가 단락 상태일 때, 드레인 – 소스에 흐르는 누설 전류 게이트 누설 전류 I GSS 지정 조건에서, 드레인 – 소스가 단락 상태일 때, 게이트 – 소스에 흐르는 누설 전류 게이트 임계치 전압 V GS(th) MOSFET에 드레인 전류가 흐르기 시작하는 게이트 – 소스 전압 게이트 임계치 전압 온도 계수 ⊿V GS(th) /⊿T j 임계치 전압의 온도 계수 드레인 – 소스 ON 저항 R DS(on) MOSFET = ON 시의 드레인 – 소스 저항치 게이트 저항 R G MOSFET의 내부 게이트 저항치 순방향 전달 어드미턴스 (admittance) |Y fs | 게이트 – 소스 전압의 1V 변화에 대한 드레인 전류 변화율 입력 용량 C iss 드레인 – 소스가 교류적 단락 상태일 때, 게이트 – 소스에서 측정한 기생 용량치 출력 용량 C oss 게이트 – 소스가 교류적 단락 상태일 때, 드레인 – 소스에서 측정한 기생 용량치 귀환 용량 C rss 소스 단자를 접지하고, 드레인 – 게이트에서 측정한 기생 용량치 실효 용량 (에너지 환산) C o(er) 드레인 – 소스 전압 V DS 가 0V에서 드레인 – 소스 전압의 절대 최대 정격 V DSS 의 80%까지 상승하는 동안 축적되는 에너지가 C oss 와 동등해지는 고정 용량치 실효 용량 (시간 환산) C o(tr) 드레인 – 소스 전압 V DS 가 0V에서 드레인 – 소스 전압의 절대 최대 정격 V DSS 의 80%까지 상승할 때 소요되는 충전 시간이 C oss 와 동등해지는 고정 용량치 Turn-on 지연 시간 t d(on) 게이트 – 소스 전압이 설정 전압의 10%까지 상승한 후, 드레인 – 소스 전압이 설정 전압의 90%까지 하강할 때 소요되는 시간 상승 시간 t r 드레인 – 소스 전압이 설정 전압의 90%에서 10%까지 하강할 때 필요한 시간 Turn-off 지연 시간 t d(off) 게이트 – 소스 전압이 설정 전압의 90%까지 하강한 후, 드레인 – 소스 전압이 설정 전압의 10%까지 상승할 때 소요되는 시간 하강 시간 t f 드레인 – 소스 전압이 설정 전압의 10%에서 90%까지 상승할 때 필요한 시간

●게이트 전하량 특성

파라미터 용어 기호 정의 및 설명 게이트 총전하량 Q g MOSFET의 게이트 전압을 0V에서 지정된 전압까지 상승시키기 위해 필요한 게이트 전하량 게이트 – 소스 전하량 Q gs MOSFET의 게이트 전압을 0V에서 게이트 플래토 전압까지 상승시키기 위해 필요한 게이트 – 소스간 용량에 축적된 전하량 게이트 – 드레인 전하량 Q gd MOSFET의 드레인 – 소스 전압 V DS 가 전원전압에서 ON 전압까지 낮추기 위해 필요한 게이트 – 드레인간 용량에 축적된 전하량 게이트 플래토 전압 V (plateau) 스위칭 시, 미러 용량의 충방전이 시작되는 게이트 전압치

●내부 다이오드 특성

파라미터 용어 기호 정의 및 설명 소스 전류 (직류) I s 지정 조건에서, 내부 다이오드에 연속적으로 흐를 수 있는 직류 전류의 최대치 소스 전류 (펄스) I sp 내부 다이오드에 펄스적으로 흐를 수 있는 전류의 최대치 순방향 전압 V SD 내부 다이오드에 순방향 전류가 흐를 때의 전압 강하분 역회복 시간 t rr 지정 측정 조건에서, 내부 다이오드의 역회복 전류가 소멸되기까지 소요되는 시간 역회복 전하량 Q rr 지정 측정 조건에서, 내부 다이오드의 역회복 전류가 소멸되기 위해 필요한 전하량 역회복 피크 전류 I rrm 지정 측정 조건에서, 내부 다이오드의 역회복 동작 시 피크 전류치

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