반도체 소자 MOSFET 특성, 동작원리 이 글로 정리 끝.

MOSFET이란?

MOSFET은 "Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor"의 약자로 금속, 산화막, 반도체 구조를 뜻합니다. 금속과 반도체 사이에 부도체인 Oxide가 층층이 쌓여있는 구조입니다. 그리고 MOSFET은 현대 반도체 산업에서 전자 신호를 조절하고 증폭시키는데 사용됩니다. 또한, MOSFET은 게이트 전압을 이용하여 전류를 제어하여 동작하며, 게이트에 인가된 전압에 따라 반도체 채널의 전류를 제어하며, 이를 통해 전자 기기에서 다양한 기능을 수행할 수 있습니다.

 

MOSFET 구조

반도체 소자(MOSFET)의 주요한 부분은 크게 1) 게이트, 2) 채널, 3) 소스, 4) 드레인으로 나누어집니다.

1) 게이트(Gate)

게이트는 금속으로 만들어진 게이트는 MOSFET의 동작을 제어하는 것입니다. 게이트에 가해지는 전압은 MOSFET의 동작 상태를 결정하며, 이를 통해 전류가 차단하거나 흐르게 할 수 있습니다. MOSFET는 게이트에 가해지는 전압에 따라 소자의 전기적 특성이 변하기 때문에, 게이트의 역할이 중요합니다. 전류가 흐르지 않는 경우에는 게이트에 전압이 가해지지 않으면서 MOSFET은 전류를 통과시키지 않습니다. 이는 신호를 차단하는 역할을 수행하며, 회로에서 스위치 역할을 할 수 있게 됩니다. 전류가 흐르는 경우에는 게이트에 전압이 가해지면서 드레인-소스 간 전류 제어가 가능해지며, 전류 증폭이나 신호 증폭을 가능케 합니다.

2) 채널(Channel)

채널은 반도체 소자에서 전자가 흐르는 경로를 말합니다. 이 채널은 소스와 드레인 사이에서 전자가 흐를 수 있도록 합니다. N형 반도체의 경우에는 게이트에 양 전압이 인가되면 채널이 형성되어 소스에서 드레인으로 전자가 흐를 수 있습니다. 
이때 N형 반도체는 "전자"의 이동에 의해 전류가 흐르게 하는데, 이 전류는 소스에서 드레인으로 향합니다. P형 반도체의 경우에는 게이트에 음의 전압이 인가되면 채널이 형성되어 소스에서 드레인으로 정공이 흐를 수 있습니다. 이때 P형 반도체는 "정공"의 이동에 의해 전류를 흐르게 하는데, 이 전류 또한 소스에서 드레인으로 향합니다.

3) 소스(Source)

소스는 전자가 들어오는 곳을 말합니다. MOSFET을 동작시키기 위해 전압 차를 생성하게 되면, 드레인 쪽으로 전하를 제공하여 전류를 유도합니다.

4) 드레인(Drain)

드레인은 소스에서 시작된 전류가 모이는 곳입니다. MOSFET을 동작시키기 위해 전압 차를 생성하게 되면, 소스와 드레인에서 전류가 흐르고, 전류 변화를 주게 되면, 드레인에서는 전류의 변화는 신호를 증폭시켜 외부 회로로 전달합니다.

그리고 게이트와 채널 사이에는 전기적인 절연을 제공하는 절연층이 존재합니다. 이 절연층은 게이트와 채널 사이를 격리하게 시켜 필요성에 따라 전류를 차단하거나 흐를 수 있게 합니다. 또한, 절연층을 이용하여 외부 환경으로부터 반도체 소자를 보호하고 안정성을 향상에 도움을 줍니다.

 

 

종류에 따른 MOSFET의 변화

MOSFET은 종류에 따라서 P형 반도체와 N형 반도체로 나눌 수 있습니다. 먼저, P형 반도체의 특징으로는 전자가 아닌 정공을 이동시키는 데 사용되며, N형 반도체와 함께 논리 회로 및 다양한 전자 소자에서 사용됩니다. P-type 반도체를 사용하므로 게이트에 양 전압이 인가되면 채널에 정공이 생성되고 드레인에서 소스로 이동합니다.

 

이는 N형 반도체와는 반대로 양전하를 이동시키는 특징을 가지고 있습니다. 따라서 N형 반도체와 P형 반도체를 함께 사용하여 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 기술을 형성하면 높은 집적도와 낮은 전력 소모의 논리 회로를 구현할 수 있습니다.

 

N형 반도체의 특징으로는 정공이 아는 전자를 이동시키는 데 사용됩니다. 게이트에 음의 전압이 인가되면 채널에 전자가 생성되고 드레인에서 소스로 이동합니다. N-type 반도체를 사용하므로 이 종류의 소자는 음의 도핑을 받은 반도체 재료를 사용합니다. P형 반도체와 마찬가지로 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 기술을 형성하면 높은 집적도와 낮은 전력 소모의 논리 회로를 구현할 수 있습니다.

MOSFET의 동작 원리

P형 반도체는 게이트에 음 전압을 인가하면 채널이 형성되어 전류가 흐르게 되고, 게이트에 0V를 인가하면 채널이 차단되어 전류 흐름이 막힙니다. N형 반도체는 게이트에 양 전압(Voltage)을 인가하면, 채널이 형성되어 전류가 흐르게 되고, 게이트에 0V를 인가하면 채널이 차단되어 전류 흐름이 막힙니다. 이를 적절히 결합하여, CMOS가 동작하게 됩니다.

 

CMOS의 동작 원리로는 NOT, OR, AND 등이 있습니다. NOT 게이트는 입력이 0V이면 NMOS가 차단되고, PMOS가 활성화되어 출력이 1V가 됩니다. 입력이 1V이면 NMOS가 활성화되고, PMOS가 차단되어 출력이 0V가 됩니다. AND 게이트 두 입력이 모두 1V이면 NMOS가 활성화되어 채널이 오픈되고, PMOS는 차단되어 출력이 1V가 됩니다.

 

하나라도 0V이면 NMOS는 차단되고, PMOS는 활성화되어 출력이 0V가 됩니다. 이러한 방식으로 CMOS는 최소한의 전력 소모를 하면서 안정적으로 동작하게 됩니다.

 

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