JFET와 MOSFET 트랜지스터

Transistor 종류에는 FET와 BJT가 있습니다. 지금부터 FET에 대해서 알아보겠습니다.

특 성 구 분	F E T	B J T
동작원리	다수캐리어에 의해서만 동작	다수 및 소수캐리어에 의해 동작
소자특성	단극성 소자	쌍극성 소자
제어방식	전압제어방식	전류제어방식
입력저항	매우크다	보통
동작속도	느리다	빠르다
잡음	적다.	많다.
이득대역폭	작다.	크다.
집적도	높다.	낮다.

[표 1-1. FET와 BJT의 특성]

FET 성질	① 전자나 정공 중 하나의 반송자에 의해서만 동작하는 단극성 소자 (UJT) ② 다수 캐리어에 의해 동작하며 게이트의 역전압에 의해 드레인 전류가 제어되므로 전압제어 소자 ③ BJT에 비해 입출력 임피던스가 높아서 전압증폭소자로 사용 ④ 소형화 가능, 전력소비 적어 대규모 IC에 적합
BJT 성질	① 말 그대로 전자와 전공 모두를 반송자로서 동작하므로 양극성 소자이다. (BJT) ② 베이스 전류로 컬렉터 전류를 제어하는 전류제어 소자이다. ③ Active 영역은 증폭기로 사용되고, Saturation 영역은 스위칭 작용을 하므로 Logic Gate 등에    많이 이용된다. ④ 전력 소모가 FET에 비해 많지만 High Speed Logic에서는 Active 영역을 사용한다.

[표 1-2. FET와 BJT 성질]

위의 [표1-1]과 [표1-2]와 같이 BJT와 FET의 특징을 나타내어 FET의 기본개념을 나타내었습니다.

그럼 FET의 종류에는 무엇이 있는가!?

FET에는 JFET와 MOSFET로 나눌 수 있습니다.

 

[그림 1-1. FET의 심볼 및 I-V특성]

옆 그림은 FET의 심볼입니다.

심볼은 회로도에 쓰이는 기호를 말하는것이며, 3가지로

JFET 1개, MOSFET 2개로 나눌 수 있습니다.

MOSFET는 다음장에서 자세히 설명 드리겠습니다.





다음은 JFET는 무엇일까요?

                                                  [그림1-2. JFET 심볼과 회로]

                                                      [그림1-3. JFET 특성 곡선]

위의 [그림1-2], [그림1-3]은 JFET 심볼과 회로, 그리고 특성곡선을 나타낸 그림입니다.

이 JFET는 기본적인 동작은 n채널 P채널이라는 표시는 Drain과 Source가 연결된 물질에 따라 표시 됩니다.

간단한 n채널 JFET가 위에 [그림1-2]에 나타나 있다. 여기서 Drain과 Source는 n 채널에 연결되어 있고

Gate는 p채널에 연결되어 있습니다. n 채널 반도체에 P 채널을 도핑되어 P-N 접합을 만드는 것입니다.

이때 Drain에 (+), Source에 (-)를 걸어 주면 전류는 주 반송자(n채널에서는 자유전자, P채널에서는 정공)가 Source-Drain 채널을 통해 흐르게 됩니다.

 n채널의 물질은 Drain에서 Source까지의 전류 통로를 제공하고, n채널 JFET에서는 drain은 (+)인가 함으로서 자유 전자가 Drain쪽으로 이동하도록 합니다. 즉, 전류는 Source 쪽으로 흐릅니다.

Gate는 P형 반도체로 이루어지며 , P-N 접합이 형성된다. 이때 P-N 접합은 반드시 역방향 바이어스(reverse bias)가 되어야 합니다.

순방향 바이어스(forward bias)가 되면 전류가 흐르므로 전계효과 FET 소자로서 기능을 갖지 못합니다.

JFET의 동작 원리를 정리하면 그림[1-3]과 같이 됩니다.

① Gate는 역 바이어스 된 pn접합이므로,이 부분을 입력단자로 사용하면, 입력 임피던스가 매우 크게 됩니다.

② Gate에 역 Bias값이 커질수록 Pn접합에서의 SCL폭이 커지므로, 전도 채널폭이 좁아집니다.

- 전류량은 Gate전압에 의해 제어됩니다.

③ Gate 역 Bias값이 커져 어느 값이 이르면 SCL폭에 의해 전도채널이 막히게 됩니다.

- 이 상태를 핀치오프(pinch off)라고 합니다.

- 이때 게이트 전압을 핀치오프 전압( Vp )라고 합니다.


그럼 MOSFET는 무엇일까!?

[그림1-5. n채널 MOSFET]

[그림1-6. p채널 MOSFET]

MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)또는 MOSFET는 금속막, 산화막, 반도체영역으로 구성된 트랜지스터의 일종이 되고, MOSFET의 Source와 Drain은 실리콘표면에 생성되며 Gate의 양쪽에 배치됩니다

반도체 영역은 대부분 트랜지스터 역할을 하기 위해 표면이 단결정 실리콘으로 도핑 되어 있습니다. 산화막은 실리콘 산화막 형태로 구성 되는데 금속막과 절연을 하는 기능을 하고, 금속막은 MOS 트랜지스터에 전압을 인가하기 위한
지점으로 사용됩니다. MOSFET는 Gate, Source, Drain 3개의 터미널로 구성됩니다.
이것들은 각각 바이폴라 트랜지스터의 Base, Emitter, Collector와 같습니다.
MOSFET의 Source와 Drain이 실리콘 표면에 만들어지는 반면 Gate는 금속막 층에 있게 된다. 바이폴라 트랜지스터
처럼 MOSFET를 통한 전류의 흐름은 Gate에 인가되는 전류에 따라 제어가 됩니다.
따라서 바이폴라 트랜지스터가 Base에 인가되는 전류의 양에 따라 제어되는 것과는 다르게 MOSFET는 Gate의
전압 수위에 따라서 제어가 되고, Gate 밑 부분을 채널 이라 하며 채널의 전도성은 Gate에 인가되는 전압에 의해
제어 됩니다.

MOSFET의 구조는 위의 그림에 나타냈듯이, 실리콘 기판 위에 Source, Drain 단자를 만들고 이 단자에 전류를 흘려
줍니다. Gate 단자에는 전압을 걸 수 있도록 되어 있는데 맨 상층 부는 금속으로 주로 Al 이 쓰이고 금속층 밑에 산화막 보통 SiO2가 쓰여서 MOS구조를 하고 있습니다.

이 구조의 특징은 중간 층에 절연막이 있다는 것인데, Gate에 어떤 (+), (-)가 걸리더라도 전류가 흐를 수 없다는
것입니다. 따라서 입력 임피던스가 매우 큰데 약 1013Ω 입니다. 이는 성능 면에서 더욱 더 좋은 것이고, 또한 실리콘 기판
하부 쪽으로 Substrate 단자가 하나 더 있는데 동작의 단순화를 위해 보통 Source 단자 쪽과 연결하여 사용합니다.


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