1. MOSFET이란? / Device Physics

MOSFET을 처음 공부하시는 분이라면 제 블로그에 있는 MOS CAPACITOR를 먼저 공부한 후에 보시는 것을 추천해드립니다. 왜냐하면 MOS CAPACITOR에서 Source와 Drain만 추가하면 MOSFET이 되는데, MOSFET을 바로 배우기에는 진입 장벽이 너무 높으므로 기본이 되는 소자인 MOS CAPACITOR부터 공부하는 것을 추천해드립니다.

1. MOSFET이란?

MOSFET은 Metal - Oxide - Semiconductor Field Effect Transistor의 약자입니다.

뜻을 그대로 풀이해보면, 'MOS'라는 구조를 가진 Transistor가 있는데, 그 Transistor는 Electric Field를 사용하여 동작하는 것으로 보시면 되겠습니다. 구조는 다음과 같습니다.

 

<MOSFET의 구조>

 MOS CAPACITOR와 다른 점은 Substrate위에 Source와 Drain이 만들어져 있어서 Source와 Drain을 통해서 전류가 흐를 수 있게 되었다는 점입니다.

2. MOSFET은 어떻게 동작하는가?

Gate에 특정한 전압이 가해지면, 그로 인해 Oxide와 Substrate의 Interface에 Free Carrier가 몰려서 Channel이 형성이 됩니다. 즉, MOS CAPACITOR에서 말하는 Strong Inversion 상태가 됩니다. Free Carrier가 몰린 Channel이 만들어진다는 것은 이 Channel에서는 다른 곳에 비해 저항값이 줄어든다는 것을 말합니다. 저항값이 줄어든다는 것을 바꿔 말하면 Channel이라는 곳에서는 전류가 흐르기 쉬운 상태가 되었음을 말해줍니다.

Channel이 형성된 후에 Drain에 Source보다 상대적으로 높은 전압, 즉 Drain에 (+) 전압을 걸어준다면 Source에 있는 Electron이 Channel을 통해 Drain으로 흘러들어가게 됩니다. Electron은 (-) 극성을 가지기 때문에 상대적으로 (+) 전압을 가지는 Drain으로 이동하게 되는 것이며 Electron이 흐른 것이기 때문에 결과적으로 '전류'가 흐른 것이구요.

이 부분이 이해가 안되시는 분은 '물'을 예로 한번 생각을 해보세요. 수로가 있는 곳에서 물이 흐르는 것과 수로없이 물 한 방울 없는 곳을 비교했을 때 어떤 곳에서 물이 더 잘 흐를까요? 물길이 없는 곳에 물이 흐르는 것은 굉장히 힘들죠? 즉, 물 한 방울 없는 곳에서는 물이 쉽게 흐르지 않습니다. 따라서 물을 쉽게 흐르게 하기 위해 우리는 '수로'를 만듭니다. 이 수로가 'Channel'이라고 보시면 됩니다. 여기에 Source와 Drain에 전압을 가하는 것은 물을 흐르게 하는 방법이라고 보시면 됩니다. 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. Source와 Drain에 전압을 가하는 것은 경사를 만들어서 물을 어디서 어떻게 흐르게 만들 것인지를 결정하는 것이라고 보면 됩니다.

간단히 정리해드리면,

"Channel = 물이 쉽게 흐르는 수로를 만드는 것"

"Source와 Drain에 전압을 거는 것 = 물이 흐르는 방향을 결정하는 경사를 만든다, 즉 물이 흐르게 한다."

라고 볼 수 있습니다. 좀 더 쉽게 이해가 되셨으면 좋겠습니다.

다시 돌아와서, 이처럼 Gate에 전압을 걸어서 Channel을 만들고 Source와 Drain에 전압을 걸어 전류를 흘리므로 MOSFET은 전압에 의해 구동되는 Voltage Driving 소자라고 볼 수 있습니다. 또한, 이런 Channel을 형성하는 것들이 Electric field에 의한 작용으로 구성되므로 Field Effect를 활용한 Transistro라고 볼 수 있습니다.

3. BJT와 MOSFET의 차이는?

먼저, 전류의 극성에서 차이가 존재합니다. MOSFET은 Electron만 흐르거나 Hole만 이동하는 단극성소자입니다. 즉, Unipolar한 소자입니다. 반면에 BJT는 한 동작에서도 Electron과 Hole에 의한 전류가 각각 흐르는 양극성 소자입니다. Bipolar한 특성을 가지며, 그래서 이름이 Biipolar Junction Transistor라고 붙여졌습니다.

구동 방식에서도 차이가 있습니다. MOSFET은 전압에 의해 구동되는 Voltage Driving 소자입니다. 반면, BJT는 전류에 의해 구동되는 Current Driving 소자입니다.

이번 포스팅은 여기까지입니다.