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Chapter 7
전계 효과 트랜지스터
Electronic Device (Floyd )- Ch. 7
2
목
표
 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET)의 동작과 특성 고찰
 JFET 파라미터의 정의와 적용
 JFET 바이어스 회로 해석
 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET ;
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors)의
동작과 특성 고찰
 MOSFET 파라미터의 정의와 적용
 MOSFET 바이어스 해석
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개
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
• FET는 BJT에 비해 매우 높은 입력저항을 가지는 장점
• FET는 BJT와 동일하게 이용
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7-1. JFET
JFET는 BJT처럼 전류 흐름을 제어
- JFET는 게이트와 소스 사이에 공급하는 전압에 의해 전류의 흐름을 제어
- BJT에서는 베이스-이미터 접합의 제어 전류에 의해 전류의 흐름을 제어
- JFET는 BJT와 같이 증폭기로 이용
VGG 전압이VDD와 RD 회로에 흐르는 전류 흐름 제어
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JFET의 기본 구조와 기호
• JFET의 단자 – 소스(source), 게이트(gate), 드레인(drain)
• JFET의 종류 – p-채널, n-채널
JFET의 기본 구조
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JFET의 기호
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JFET의 기본 동작
• 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 RD를 통해 흐르는 전류 흐름 ID를 제어
• 드레인-게이트간의 역방향 전압이
게이트-소스간의 역방향 전압보다
크기 때문에 공핍영역이 드레인쪽으로
더 확산
바이어스된 n-채널 JFET
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VGG 에 의한 채널 폭, 저항 및 드레인 전류의 변화
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7-2. JFET 특성과 파라미터
• 게이트-소스전압이 0일 때(VGS = 0V ), 드레인-소스간이 단락
• VDD를 0V에서 점점 증가시키면 ID가 비례적으로 증가
(VDD 가 증가되는 것처럼 VDS 가 증가).
• 점 A와 B 구간을 저항영역(ohmic region)
드레인 특성 곡선
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핀치-오프 전압
• 점 B에서 직선은 증가를 멈추고 ID 값이 일정
- VGS = 0V 일 때 핀치-오프전압(pinch-off voltage)
- VDS가 계속 증가하더라도 드레인 전류가 일정
(이때의 드레인 전류를 최대 드레인 전류 ; IDSS )
• VDS를 증가시켜 점 C에 도달하면 항복현상(breakdown)이 발생
• 항복현상은 소자에 치명적이므로 JFET는 이 점 이하의 일정한 전류
영역에서 동작되어야 함.
핀치-오프 전압
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VGS = 0V일 때 JFET 동작 특성
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VGS에 의한 ID 제어
• 게이트와 소스에 바이어스 전압 VGG를 인가하고, VGG를
조절하여 VGS가 음(-)의 값으로 증가하면 ID가 감소
VGS 를 변화 시켰을 때의 드레인 전류의 변화 곡선
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VGS 에 의한 ID의 변화
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차단 전압
• VGS 를 증가시키면 ID 가 거의 0으로 감소되는데 이를
차단현상(cutoff)이라 하고, 이때의 VGS를 차단전압(VP ;cutoff voltage)
• 공핍 영역은 VGS가 음(-)의 값으로 증가할수록 더욱 확장하여
핀치오프 현상이 발생하게 되어 ID가 거의 0으로 감소
• ID는 IDSS의 최대값에서 거의 0인 최소값까지 변화 가능
(VGS의 변화에 의해)
차단상태의 JFET
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JFET 전달 특성
• 전달특성 곡선은 차단 전압(V GS(off) )과 핀치-오프 전압(VP)
사이에서 제어되는 VGS와 ID 의 관계를 도시
• JFET의 특성곡선은 거의 포물선 형태이고, 이를 근사적으로
표현하면
ID = IDSS(1 - VGS/VGS(off))2
JFET의 전달특성 곡선
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JFET의 파라미터
• 순방향 전달 컨덕턴스 gm 은 드레인-소스 전압이 일정할
때 게이트-소스 전압의 변화분(△VGS)에 대한 드레인 전류의
변화분(△ID)의 비
gm = △ID/△VGS
• 게이트-소스 접합에 역방향 바이어스를 가하면 JFET의
입력저항은 매우 크게 증가(BJT에 비해 좋은 장점)
RIN = |VGS/IGSS|
• 역방향 바이어스된 pn 접합은 커패시터로 동작하며,
그 용량은 역방향 전압의 크기에 의존
• 드레인-소스 저항은 VDS 와 ID의 변화율(핀치-오프 위의
영역에서는 VDS의 변화에도 ID가 거의 일정하므로 VDS의
큰 변화는 ID의 작은 변화를 야기
r’ds = △VDS/△ID
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7-3. JFET 바이어스
• BJT와 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
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자기 바이어스
JFET의 가장 일반적인 방법
• 게이트-소스전압 VGS는 n-채널은 (-), p-채널은 (+)
• 게이트에 공급하는 전압이 없기 때문에 VG=0V이고,
저항 RG는 바이어스에 영향을 미치지 않고 증폭기
응용시 접지로부터 교류신호를 분리할 때 사용
• 게이트-소스 전압은 (ID = IS , VG=0이므로 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=IDRS로 부터 드레인-소스 전압을 구하면
VDS=VD-VS=VDD-ID(RD+RS)
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자기 바이어스된 JFET
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자기 바이어스된 JFET의 Q 점 결정
• JFET의 바이어스 점은 VGS 값에 대한 ID 또는 특정 ID 값에 대한
VGS의 값으로 결정
• Q점 결정을 위한 RS 는 ID 와 VGS 로 결정
RS = | VGS/ID |
• VGS 값에 대해 ID 는 두 가지 방법으로 결정
- JFET의 전달특성 곡선
- 규격표의 IDSS 와 VGS(off)를 사용한 다음의
식으로부터
ID = IDSS(1 - VGS/VGS(off))2
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중간점 바이어스
• ID=IDSS/2 되는 전달특성 곡선의 중간점에 JFET를 바이어스 시키는
것이 중요
• 신호 조건하에서 중간점 바이어스는 IDSS와 0사이에서 드레인
전류의 스윙이 최대
• RS 와 RD 는 근사화된 중간점 바이어스를 위해 결정
RS = |VGS/ID |
RD = (VDD/2)/ID
• 아래의 조건과 같을 때 ID가 IDSS 의 거의 반
VGS  VGS(off)/3.4
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• JFET의 전달특성곡선과 임의의
파라미터를 사용하여 자기
바이어스된 회로의 Q점을 결정하는
것이 가능
• 먼저 규격표의 IDSS와 다음의 공식을
이용하여 VGS 를 결정
VGS = -IDRS
• 부하선과 전달특성곡선의 교차점이
회로의 Q점
• 부하선은 VGS(off)(ID= 0A)인 점과
VP(ID = IDSS)인 점을 연결한 것
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JFET의 부하점 결정
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전압분배 바이어스
• R1 과 R2 에는 게이트-소스 접합간의
역방향 바이어스를 위해 VDD가
적절하게 분배
• 동작은 자기 바이어스와 동일
• ID, VGS 를 결정하기 위해서는
VS = IDRS(ID=IS)
VG = (R2/(R1 + R2))VDD
VGS = VG – VS
VS = VG – VGS
ID=VS/RS
ID=(VG-VGS)/RS
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전압분배 바이어스
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자기 바이어스와 마찬가지로 전달특성 곡선으로부터 Q점 결정 가능
첫번째 점은ID = 0 과VGS (ID=0 일 때 VGS = VG).
VGS = VG = (R2/R1 + R2)VDD
두번쨰 점은ID , VGS = 0.
ID = VG/RS
전압분배 바이어스의 직류부하선
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Q 점의 안정도
• 같은 형태의 소자라도
JFET의 전달특성은
매우 상이
• 이는 Q점 결정에 좋지
않은 영향을 미침
• 전압분배 바이어스는
자기 바이어스보다 덜 영향
Q 점의 안정도
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7-4. MOSFET
• 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터( Metal Oxide Semiconductor
Field Eeffect Ttransistor ; MOSFET)는 FET의 두번째 형태
• pn 접합 구조가 아니라는 면에서 JFET와 상이
• MOSFET의 게이트는 산화실리콘(Sio2) 층에 의해 채널과 격리
• MOSFET는 공핍형(depletion MOSFET ; D-MOSFET)과 증가형
(enhancement MOSFET ; E-MOSFET)
• E-MOSFET는 채널의 형성되어있지 않음.
D-MOSFET의 구조
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D-MOSFET의 기호
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공핍형 MOSFET
• D-MOSFET는 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-MOSFET의 동작(공핍형)
• 증가형 모드 – 게이트에 (+) 전압을
인가하면 채널내로 전도전자를 끌어 들여
채널내의 전도전자가 증가하게 되어
채널의 전도도가 증가함으로써 드레인
전류가 증가
D-MOSFET의 동작(증가형)
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증가형 MOSFET
• E-MOSFET는 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
E-MOSFET의 구조
• 기호에서 점선은 물리적인 채널이
존재하지 않음을 의미
E-MOSFET의 기호
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기타 MOSFET
측면 이중 확산 MOSFET(LDMOSFET) 와 V형 MOSFET (VMOSFET),
TMOSFET는 고전력에 이용하기 위해 고안된 구조
이중 게이트 MOSFET는 두개의 게이트를 가지며, FET의 결점인 높은
입력 커패시턴스로 인한 고주파에서의 사용 제한을 완화
LDMOSFET
TMOSFET
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VMOSFET
이중 게이트 MOSFET
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7-5. MOSFET 특성과 파라미터
D-MOSFET의 전달특성
D-MOSFET(증가형 모드)는 JFET의 특성과 파라미터가 적용 가능
ID 는 증가형과 공핍형 모드에서 똑같이 적용가능하고, JFET와 동일
ID = IDSS(1 - VGS/VGS(off) )2
D-MOSFET의 전달특성 곡선
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E-MOSFET의 전달특성
• E-MOSFET는 채널 증가만 이용
• VGS 가 임계값 VGS(th) 에 도달할 때까지 드레인 전류 가 존재하지 않음.
• E-MOSFET의 전달특성 곡선은 JFET와 D_MOSFET의 식과는 상이
• 상수 K 는 MOSFET의 종류에 따라 다르며, 규격표에서 VGS가 주어졌을
때 ID(on) 인 ID 값으로 아래의 공식으로 유도
K = ID(on) /(VGS - VGS(th))2 , ID = K(VGS - VGS(th))2
E-MOSFET의 전달특성 곡선
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7-6. MOSFET 바이어스
D-MOSFET의 바이어스
• MOSFET의 바이어스 : 제로 바이어스, 전압분배 바이어스,
드레인 귀환 바이어스
• D-MOSFET의 바이어스인 제로 바이어스는 VGS=0으로 하고,
게이트에 교류신호를 인가하여 바이어스 점에서 입력된 전압에
따라 게이트-소스 전압이 변동(swing)하도록 동작
D-MOSFET의
제로 바이어스
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E-MOSFET의 바이어스
• E-MOSFET는 제로 바이어스를 사용 못함.
• 전압분배 바이어스는 VGS 를 임계값VGS(th)보다 크게
하기 위함.
• ID 는 다음의 공식에 의해 유도(VGS는 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
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E-MOSFET의 바이어스
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