Chapter 7 전계 효과 트랜지스터

Electronic Device (Floyd )- Ch. 7

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Chapter Chapter 77 전계 효과 트랜지스터전계 효과 트랜지스터


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목 표목 표

접합 전계 효과 트랜지스터 (JFET) 의 동작과 특성 고찰

JFET 파라미터의 정의와 적용

금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET ; Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors)의 동작과 특성 고찰

MOSFET 바이어스 해석

JFET 바이어스 회로 해석

MOSFET 파라미터의 정의와 적용


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개 요개 요

• 전계 효과 트랜지스터는 게이트 (gate) 에 공급되는

( 게이트와 소스 사이의 ) 전압에 의해 전류가 조절되는

전압제어 소자 ( 하나의 반송자를 이용하는 단극소자 )

• 바이폴라 접합 트랜지스터 (BJT) 는 전자전류와 정공전류를 이용한 전류제어 소자

• FET 는 BJT 에 비해 매우 높은 입력저항을 가지는 장점

• FET 는 BJT 와 동일하게 이용


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JFET 는 BJT 처럼 전류 흐름을 제어

- JFET 는 게이트와 소스 사이에 공급하는 전압에 의해 전류의 흐름을 제어 - BJT 에서는 베이스 - 이미터 접합의 제어 전류에 의해 전류의 흐름을 제어- JFET 는 BJT 와 같이 증폭기로 이용

VGG 전압이 VDD 와 RD 회로에 흐르는 전류 흐름 제어

7-1. JFET7-1. JFET


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• JFET 의 단자 – 소스 (source), 게이트 (gate), 드레인(drain)

• JFET 의 종류 – p- 채널 , n- 채널

JFET 의 기본 구조 JFET 의 기호

JFET 의 기본 구조와 기호


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• 전류는 게이트 - 소스 접합에 역방향바이어스를 걸어 pn 접합면에 공핍층을 형성하게 하여 채널의 폭을 조절함으로써 전류의 흐름을 제어 ( 게이트는 양단이 동일하게 연결 )

• VGG ( 역방향바이어스 ) 의 변화에 따라 공핍층이 확장 및 축소되면서 채널폭이 변화하게 되어 RD 를 통해 흐르는 전류 흐름 ID를 제어

• 드레인 - 게이트간의 역방향 전압이 게이트 - 소스간의 역방향 전압보다 크기 때문에 공핍영역이 드레인쪽으로 더 확산

바이어스된 n- 채널 JFET

JFET 의 기본 동작


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VGG 에 의한 채널 폭 , 저항 및 드레인 전류의 변화


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• 게이트 - 소스전압이 0 일 때 (VGS = 0V ), 드레인 - 소스간이 단락

• VDD 를 0V 에서 점점 증가시키면 ID 가 비례적으로 증가 (VDD 가 증가되는 것처럼 VDS 가 증가 ).

• 점 A 와 B 구간을 저항영역 (ohmic region)

드레인 특성 곡선

7-2. JFET 7-2. JFET 특성과 파라미터특성과 파라미터


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• 점 B 에서 직선은 증가를 멈추고 ID 값이 일정

- VGS = 0V 일 때 핀치 - 오프전압 (pinch-off voltage)

- VDS 가 계속 증가하더라도 드레인 전류가 일정

( 이때의 드레인 전류를 최대 드레인 전류 ; IDSS )

• VDS 를 증가시켜 점 C 에 도달하면 항복현상 (breakdown) 이 발생

• 항복현상은 소자에 치명적이므로 JFET 는 이 점 이하의 일정한 전류 영역에서 동작되어야 함 .

핀치 - 오프 전압

핀치 - 오프 전압


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VGS = 0V 일 때 JFET 동작 특성


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• 게이트와 소스에 바이어스 전압 VGG 를 인가하고 , VGG

를 조절하여 VGS 가 음 (-) 의 값으로 증가하면 ID 가 감소

VGS 를 변화 시켰을 때의 드레인 전류의 변화 곡선

VGS 에 의한 ID 제어


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VGS 에 의한 ID 의 변화


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• VGS 를 증가시키면 ID 가 거의 0 으로 감소되는데 이를 차단현상(cutoff) 이라 하고 , 이때의 VGS 를 차단전압 (VP ;cutoff voltage)

• 공핍 영역은 VGS 가 음 (-) 의 값으로 증가할수록 더욱 확장하여 핀치오프 현상이 발생하게 되어 ID 가 거의 0 으로 감소

• ID 는 IDSS 의 최대값에서 거의 0 인 최소값까지 변화 가능

(VGS 의 변화에 의해 )

차단상태의 JFET

차단 전압


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• 전달특성 곡선은 차단 전압 (V GS(off) ) 과 핀치 - 오프 전압(VP) 사이에서 제어되는 VGS 와 ID 의 관계를 도시

• JFET 의 특성곡선은 거의 포물선 형태이고 , 이를 근사적으로 표현하면 ID = IDSS(1 - VGS/VGS(off))2

JFET 의 전달특성 곡선

JFET 전달 특성


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• 순방향 전달 컨덕턴스 gm 은 드레인 - 소스 전압이 일정할 때 게이트 - 소스 전압의 변화분 (△VGS) 에 대한 드레인 전류의 변화분 (△ID) 의 비

• 게이트 - 소스 접합에 역방향 바이어스를 가하면 JFET 의 입력저항은 매우 크게 증가 (BJT 에 비해 좋은 장점 )

• 역방향 바이어스된 pn 접합은 커패시터로 동작하며 , 그 용량은 역방향 전압의 크기에 의존

• 드레인 - 소스 저항은 VDS 와 ID 의 변화율 ( 핀치 - 오프 위의 영역에서는 VDS 의 변화에도 ID 가 거의 일정하므로 VDS

의 큰 변화는 ID 의 작은 변화를 야기

gm = △ID/△VGS

RIN = |VGS/IGSS|

r’ds = △VDS/△ID

JFET 의 파라미터


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• BJT 와 마찬가지로 바이어스의 목적은 직류 게이트 - 소스 전압을 선택하여 바람직한 드레인 전류값과 적절한 Q 점을 선택하는 것

• JFET 바이어스 – 자기바이어스 (self-bias), 전압분배 바이어스 (voltage-divider bias)

• Q 점은 전달특성 곡선의 중간부분에서 선택되는데 이는 최대 드레인 전류의 IDSS 중간값

7-3. JFET 7-3. JFET 바이어스바이어스


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JFET 의 가장 일반적인 방법

• 게이트 - 소스전압 VGS 는 n- 채널은 (-), p- 채널은 (+)

• 게이트에 공급하는 전압이 없기 때문에 VG=0V 이고 ,

저항 RG 는 바이어스에 영향을 미치지 않고 증폭기응용시 접지로부터 교류신호를 분리할 때 사용

• 게이트 - 소스 전압은 (ID = IS , VG=0 이므로 VS=IDRS)

VGS = VG-VS=0-IDRS=-IDRS

(n channel) VGS = -IDRS

(p channel) VGS = +IDRS

• 접지를 기준으로 한 드레인 전압은 VD=VDD-IDRD

• VS=IDRS 로 부터 드레인 - 소스 전압을 구하면

VDS=VD-VS=VDD-ID(RD+RS)

자기 바이어스

자기 바이어스된 JFET


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• JFET 의 바이어스 점은 VGS 값에 대한 ID 또는 특정 ID 값에 대한 VGS 의 값으로 결정

• Q 점 결정을 위한 RS 는 ID 와 VGS 로 결정

RS = | VGS/ID |

• VGS 값에 대해 ID 는 두 가지 방법으로 결정

- JFET 의 전달특성 곡선 - 규격표의 IDSS 와 VGS(off) 를 사용한 다음의 식으로부터

ID = IDSS(1 - VGS/VGS(off))2

자기 바이어스된 JFET 의 Q 점 결정


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중간점 바이어스

• ID=IDSS/2 되는 전달특성 곡선의 중간점에 JFET 를 바이어스 시키는 것이 중요

• 신호 조건하에서 중간점 바이어스는 IDSS 와 0 사이에서 드레인 전류의 스윙이 최대

• RS 와 RD 는 근사화된 중간점 바이어스를 위해 결정

RS = |VGS/ID |

RD = (VDD/2)/ID

• 아래의 조건과 같을 때 ID 가 IDSS 의 거의 반

VGS VGS(off)/3.4


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• JFET 의 전달특성곡선과 임의의 파라미터를 사용하여 자기 바이어스된 회로의 Q 점을 결정하는 것이 가능

• 먼저 규격표의 IDSS 와 다음의 공식을 이용하여 VGS 를 결정

VGS = -IDRS

• 부하선과 전달특성곡선의 교차점이 회로의 Q 점

• 부하선은 VGS(off)(ID= 0A) 인 점과 VP(ID = IDSS) 인 점을 연결한 것

JFET 의 부하점 결정


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• R1 과 R2 에는 게이트 - 소스 접합간의 역방향 바이어스를 위해 VDD

가 적절하게 분배

• 동작은 자기 바이어스와 동일

• ID, VGS 를 결정하기 위해서는VS = IDRS(ID=IS)

VG = (R2/(R1 + R2))VDD

VGS = VG – VS

VS = VG – VGS

ID=VS/RS

ID=(VG-VGS)/RS

전압분배 바이어스

전압분배 바이어스


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자기 바이어스와 마찬가지로 전달특성 곡선으로부터 Q 점 결정 가능

첫번째 점은 ID = 0 과 VGS (ID=0 일 때 VGS = VG).

VGS = VG = (R2/R1 + R2)VDD

두번쨰 점은 ID , VGS = 0.

ID = VG/RS

전압분배 바이어스의 직류부하선


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• 같은 형태의 소자라도 JFET 의 전달특성은 매우 상이

• 이는 Q 점 결정에 좋지 않은 영향을 미침

• 전압분배 바이어스는 자기 바이어스보다 덜 영향

Q 점의 안정도

Q 점의 안정도


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• 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 ( Metal Oxide Semiconductor Field Eeffect Ttransistor ; MOSFET) 는 FET 의 두번째 형태

• pn 접합 구조가 아니라는 면에서 JFET 와 상이

• MOSFET 의 게이트는 산화실리콘 (Sio2) 층에 의해 채널과 격리

• MOSFET 는 공핍형 (depletion MOSFET ; D-MOSFET) 과 증가형 (enhancement MOSFET ; E-MOSFET)

• E-MOSFET 는 채널의 형성되어있지 않음 .

D-MOSFET 의 구조 D-MOSFET 의 기호

7-4. 7-4. MOSFETMOSFET


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• D-MOSFET 는 공핍형과 증가형 모드로 분류

• 공핍형 모드는 부 (-) 의 게이트 - 소스 전압을 인가하여 동작하고 , 정 (+) 의 전압을 인가하면 증가형 모드로 동작

• 공핍형 모드 – 게이트에 (-) 전압을 인가하면 채널내의 전도전자를 밀어내고 , 그 자리에 양이온이 발생하여 채널내의 전도전자가 부족하게 되고 드레인 전류가 감소하게 되므로 (-) 전압을 VGS(off) 로 하면 채널이 완전 공핍되어 드레인 전류가 0

D-MOSFET 의 동작 (증가형 )

• 증가형 모드 – 게이트에 (+) 전압을 인가하면 채널내로 전도전자를 끌어 들여 채널내의 전도전자가 증가하게 되어 채널의 전도도가 증가함으로써 드레인 전류가 증가

D-MOSFET 의 동작 (공핍형 )

공핍형 MOSFET


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• E-MOSFET 는 증가형 모드로만 동작하고 , 구조적 채널 미 존재

• 게이트에 (-) 전압을 인가하면 SiO2 층의 접촉면에 얇은 음전하층의 채널이 형성

• 게이트 - 소스간의 전압이 증가할 수록 기판의 전도전자를 더 끌어들여 채널의 전도도 증가

• 기호에서 점선은 물리적인 채널이 존재하지 않음을 의미

E-MOSFET 의 기호

E-MOSFET 의 구조

증가형 MOSFET


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측면 이중 확산 MOSFET(LDMOSFET) 와 V 형 MOSFET (VMOSFET), TMOSFET 는 고전력에 이용하기 위해 고안된 구조

이중 게이트 MOSFET 는 두개의 게이트를 가지며 , FET 의 결점인 높은 입력 커패시턴스로 인한 고주파에서의 사용 제한을 완화

LDMOSFET VMOSFET

TMOSFET 이중 게이트 MOSFET

기타 MOSFET


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D-MOSFET( 증가형 모드 ) 는 JFET 의 특성과 파라미터가 적용 가능

ID 는 증가형과 공핍형 모드에서 똑같이 적용가능하고 , JFET 와 동일

ID = IDSS(1 - VGS/VGS(off) )2

D-MOSFET 의 전달특성 곡선

7-5. MOSFET 7-5. MOSFET 특성과 파라미터특성과 파라미터

D-MOSFET 의 전달특성


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• E-MOSFET 는 채널 증가만 이용

• VGS 가 임계값 VGS(th) 에 도달할 때까지 드레인 전류 가 존재하지 않음 .

• E-MOSFET 의 전달특성 곡선은 JFET 와 D_MOSFET 의 식과는 상이

• 상수 K 는 MOSFET 의 종류에 따라 다르며 , 규격표에서 VGS 가 주어졌을 때 ID(on) 인 ID 값으로 아래의 공식으로 유도

K = ID(on) /(VGS - VGS(th))2 , ID = K(VGS - VGS(th))2

E-MOSFET 의 전달특성 곡선

E-MOSFET 의 전달특성


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• MOSFET 의 바이어스 : 제로 바이어스 , 전압분배 바이어스 , 드레인 귀환 바이어스

• D-MOSFET 의 바이어스인 제로 바이어스는 VGS=0 으로 하고 , 게이트에 교류신호를 인가하여 바이어스 점에서 입력된 전압에 따라 게이트 - 소스 전압이 변동 (swing) 하도록 동작

D-MOSFET 의 제로 바이어스

7-6. MOSFET 7-6. MOSFET 바이어스바이어스

D-MOSFET 의 바이어스


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• E-MOSFET 는 제로 바이어스를 사용 못함 .

• 전압분배 바이어스는 VGS 를 임계값 VGS(th) 보다 크게 하기 위함 .

• ID 는 다음의 공식에 의해 유도 (VGS 는 일반적인 전압분배 방식으로 )

K = ID(on)/(VGS - VGS(th))2

ID = K(VGS -VGS(th))2

VDS = VDD-IDRD

• 드레인 귀환 바이어스는 게이트 전류가 무시되므로 RG 에서의 전압강하가 없어 VGS = VDS

• ID 는 다음에 의해 유도 가능

ID = VDD - VDS/RD

E-MOSFET 의 바이어스

E-MOSFET 의 바이어스


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Chapter 7 전계 효과 트랜지스터

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