[MOSFET] MOSFET의 구조와 원리

 

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MOSFET의 구조와 원리

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1부 [MOSFET] FET 이란 무엇인가?

2부 [MOSFET] MOSFET의 구조와 원리

3부 [MOSFET] BJT와 MOSFET의 차이점

4부 [MOSFET] IRFZ44N , IRF4905 의 데이터시트를 알아보자

5부 [MOSFET] IRFZ44N , IRF4905 스위치, H브릿지 회로도 예시

完 [MOSFET] MOSFET 스위칭 회로 - 아두이노 실습 -

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첫번째 시간에는 FET이 무엇인지 그리고 어떤 종류가 있는지에 대해 간단하게 알아보았습니다.

MOSFET 또한 전자회로에서 핵심적인 역할을 하며,

집적회로와 디지털 시스템의 기반을 이루고 있음을 알 수 있었습니다.

 

이번 시간부터는 MOSFET의 구조와 원리를 통해

본격적으로 MOSFET에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

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MOSFET의 기본구조

 

MOSFET은 3개의 단자로 구성이 되어있습니다.

이해하기 쉽도록 N채널 MOSFET 기준으로 설명을 드리겠습니다.

 

• Gate(게이트)는 제어 단자로,

게이트에 인가된 전압에 의해 Drain과 Surce 사이의 전류 흐름을 제어하는 역할을 합니다.

 

• Drain(드레인)은 부하를 통해 전류가 들어오는 단자로,

MOSFET이 ON 되었을 때 전류 흐름이 시작되는 지점입니다.

 

• Source(소스)는 전류가 나가는 출구로,

Drain에서 들어온 전류가 Gate 전압에 의해 형성된 채널을 통해 이 곳으로 흐르게 됩니다.

 

즉, Gate에 전압을 인가하면 채널이 형성되면서 Drain에서 Source 방향으로 전류가 흐르게 됩니다.

개념은 다르지만 역할은 BJT 와 비슷하게 수도꼭지로 비유가 가능한 부분이죠.

 

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산화막 절연구조

MOSFET의 가장 큰 특징은 게이트와 채널 사이에

산화막(Oxide)이 존재하여 전기적으로 절연되어 있다는 점입니다.

 

이 산화막은 일반적으로 실리콘 산화막(SiO₂)으로 이루어져 있으며,

게이트와 반도체 사이에 얇은 절연층을 형성합니다.

해당 구조로 인해 게이트는 채널과 직접 연결되지 않으며,

전류가 흐르지 않는 상태에서 전압만으로 동작을 제어할 수 있게 됩니다.

 

즉, MOSFET은 전류를 흘려서 제어하는 것이 아니라

게이트에 인가된 전압으로 전기장을 형성하여 채널의 상태를 변화시키는 방식으로 동작하는 것 입니다.

 

 

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채널이란?

채널( Channel ) 은 드레인과 소스를 연결하는 전류의 흐름 통로입니다.

N채널 MOSFET을 기준으로 채널 형성 과정을 살펴보면 다음과 같습니다.

 

게이트에 전압이 인가되지 않은 상태에서는

드레인과 소스 사이에 전류가 흐를 수 있는 통로가 형성되지 않아 전류가 흐르지 않습니다.

이 상태는 채널이 형성되지 않은 OFF 상태입니다.

 

이때 게이트에 충분한 전압을 인가하면

반도체 내부의 전자들이 산화막과 P형 반도체의 경계면 쪽으로 모이게 됩니다.

이렇게 모인 전자들이 다리를 형성하여 전류가 흐르게 되는데 이것이 바로 채널입니다.

즉, 이 상태가 MOSFET의 ON 상태입니다.

 

이때 채널이 형성되기 시작하는 최소 게이트 전압을 문턱 전압( Threshold Voltage )이라고 하며,

이 전압 이하에서는 채널이 충분히 형성되지 않기 때문에 전류가 흐르지 않습니다.

 

 

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N채널 MOSFET (NMOS) 과 P채널 MOSFET (PMOS)

MOSFET은 소스, 드레인, 그리고 기판의 구조에 따라 N채널과 P채널로 구분됩니다.

 

 

N채널 MOSFET은 P형 기판 위에 N형 소스와 드레인이 형성된 구조입니다.

 

게이트에 소스보다 높은 전압(+)을 인가하면,

기판 내부의 정공이 밀려나고 전자들이 게이트 산화막 근처로 모이게 됩니다.

 

이때 전자들이 모여 형성되는 전도층을 N형 채널이라 하며,

이 채널이 드레인과 소스를 연결하면서 전류가 흐르게 됩니다.

 

 

P채널 MOSFET은 N형 기판 위에 P형 소스와 드레인이 형성된 구조입니다.

 

게이트에 소스보다 낮은 전압(–)을 인가하면,

전자들이 밀려나고 정공이 모이면서 전도층이 형성됩니다.

 

이때 형성되는 전도층은 P형 채널이며,

이를 통해 드레인과 소스 사이에 전류가 흐르게 됩니다.

 

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증가형( Enhancement ) 과 공핍형 ( Depletion )

MOSFET 제조 과정에서 채널이 이미 형성되어 만들어지는가 아닌가의 차이로

증가형과 공핍형으로 구분할 수 있습니다.

 

증가형 MOSFET( Enhancement Mode )은 기본적으로 채널이 없는 상태에서 시작하는 구조입니다.

이전에 설명했던 채널 형성 과정과 같습니다.

 

• 게이트에 전압을 인가하지 않으면

드레인과 소스 사이에 전류가 흐를 수 있는 통로가 존재하지 않는 구조입니다.

 

• 게이트에 일정 전압 이상( 문턱 전압 )을 인가하면

전기장에 의해 반도체 표면에 전하가 모이면서 채널이 형성되어 전류가 흐르게 되고,

MOSFET은 ON 상태가 됩니다.

 

그렇기 때문에 기본적으로 OFF 상태로 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있고,

디지털 회로에서 스위치처럼 사용하기에 매우 적합합니다.

 

 

공핍형 MOSFET( Depletion Mode )은 제조 단계에서 이미 채널이 형성된 구조입니다.

따라서 게이트 전압이 0V인 상태에서도 드레인과 소스 사이에 전류가 흐를 수 있습니다.

 

이 상태는 기본적으로 ON 상태이며, 게이트에 반대 극성의 전압을 인가하면

채널 내부의 전하가 밀려나면서 점점 얇아지고, 결국 채널이 사라지면서 전류가 흐르지 않게 됩니다.

 

그래서 항상 전류가 흐르는 상태에서 시작하기 때문에 일부 회로에서만 제한적으로 사용됩니다.

 

 

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MOSFET의 동작 영역

MOSFET은 게이트 전압과 드레인-소스 전압에 따라 동작 상태가 달라지며, 이를 동작 영역이라고 합니다.

여기서 가장 일반적으로 사용되는 증가형 NMOS를 기준으로 컷오프, 리니어, 포화 영역을 살펴보겠습니다.

 

@정보통신기술용어해설

*VDS : 드레인-소스 전압 , VDS.Sat : 드레인-소스 포화전압 ,

VGS : 게이트-소스 전압 , Vth : 문턱전압 , iD : 드레인 전류

 

1. 차단 영역 (Cut-off Region)

게이트-소스 전압이 문턱 전압보다 낮아서 채널이 형성되지 않아 전류가 거의 흐르지 않는 상태입니다.

MOSFET이 꺼져 있는 상태(OFF)로, 스위치가 열린 상태와 동일합니다.

 

2. 선형(트라이오드) 영역 (Linear / Triode Region)

게이트 전압이 문턱 전압보다 높아 채널이 형성된 상태로, 이 드레인-소스 전압이 작은 경우,

전류는 드레인-소스 전압에 비례하여 증가하게 됩니다.

저항처럼 동작하는 영역이며, 실제로 스위치 ON 상태에서 사용되는 구간입니다.

 

 

 

3. 포화 영역 (Saturation Region)

게이트 전압이 충분히 크고 드레인-소스 전압이 일정 수준 이상이 되면,

드레인 쪽의 채널이 좁아지는 핀치오프(pinch-off)가 발생합니다.

이 상태에서는 드레인 전류가 드레인-소스 전압보다 게이트 전압에 의해 주로 결정됩니다.

이러한 포화 영역은 MOSFET이 증폭기로 동작하는 영역입니다.

 

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마무리

 

 

지금까지 MOSFET 의 구조 그리고 어떻게 동작하는지 알아보았습니다.

오늘 이 시간을 통해 단순한 스위치를 넘어 전력 제어와 신호 증폭 등

다양한 분야에서 핵심적인 역할을 할 수 있음을 알수 있는 시간이었습니다.

또한 처음에는 어렵게 느껴질 수 있지만, 흐름만 잡히면 생각보다 단순한 구조라는 걸 알 수 있었습니다.

 

다음 시간에는 이전에 알아보았던 BJT와 오늘 알아본 MOSFET의 차이를 보도 하겠습니다.

 

 

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