PMOS NMOS 동작 원리 구조 [MOSFET]

● MOSFET NMOS 구조

 

MOSFET의 NMOS 구조는 아래와 같은 모습을 볼 수 있다

 

● MOSFET 동작 원리

MOSFET의 동작은 아래와 같이 3개로 나뉘어 있다

 

Cut-off (컷오프 전원이 꺼짐)    : Vgs < Vth

Triode (트라이오드)                  : Vgs - Vth > Vds

Saturation (포화상태)               : Vgs - Vth  =< Vds

 

각각의 조건에 따라 MOSFET의 동작이 달라지는 것을 볼 수 있다.

 

보통의 MOSFET의 Vth의 경우 0.7V의 값이라 생각할 수 있다.

 

Vgs의 경우 Vg - Vs의 값을 의미하는 것이다. 이와 동일하게 Vds는 Vd - Vs의 값을 의미한다

 

 

S와 D에는 0V를 인가하고 G에는 전압을 인가하는 방식으로 MOSFET의 동작을 확인해본다

 

● CUT - OFF 상태 (Vs, Vd 0V 전압 인가)

● Vgs < Vth

 

Vs는 0V로 인가되어 있기 때문에 Vgs의 값은 Vg의 값이라 할 수 있다.

 

이때 Vth는 0.7V라 가정할 수 있기 때문에 cut - off는 Vg가 0.7V보다 작은 경우를 의미한다

 

Depletion Region 형성

 

Vg가 0인 경우 정공을 쫒아내기 때문에 기판에서 공핍층이 형성된다

 

이때 Vg의 전압이 점차 증가함에 따라서 공핍 영역이 더 깊어지게 되며 더 많은 음이온들이 노출된다

 

Free Electrons Channel 형성

 

Vg가 Vth보다 커지게 된다면 자유 전자들이 계면으로 끌어당겨지고 채널이 형성되게 된다

 

하지만 Vs와 Vd가 모두 0V로 인가되어있기 때문에 전류는 흐르지 못한다.

 

따라서 이는 하나의 커패시터로 동작할 수 밖에 없다.

 

전류를 흐르게 하기 위해서는 Vds 값을 키워 전류를 흐르게 만들어야한다.

 

● Triode Region 선형 영역 (Vs = 0V 전압 인가)

● Vgs > Vth,  Vgs - Vth > Vds

 

Vd에 전압을 인가한 모습

 

트라이오드 영역에서 전류를 키우기 위해서는 Vd에 전압을 인가하여 Vds 값을 조절해야한다.

 

Vd에 전압을 인가한 다음, Vgs - Vth를 Vds보다 크게 해보자

 

Vd에 전압을 인가하였기 때문에 채널이 형성되며 전류가 흐를 수 있는 환경이 조성된다

 

이때의 경우 전류는 Vds에 선형적으로 비례하는 모습을 볼 수 있다

 

● Saturation 포화 상태 (Vs = 0V 전압 인가)

● Vgs > Vth,  Vgs - Vth < Vds

 

 

Vgs가 Vth보다 큰 상황에서 Vds의 크기가 Vgs - Vth 크기보다 충분히 커지면 채널이 끊기는 pinchoff가 발생합니다

 

이때 흐르는 전류는 Vds의 영향을 받지 않게 되며 포화된 상태를 유지하게 됩니다

 

따라서 NMOS는 증폭기처럼 동작하게 되며, Vg의 값에 따라서 전류가 조절되게 됩니다.

 

● MOSFET 조건별 동작 과정

Vg (게이트 전압)	Vd (드레인 전압)	동작영역	설명
Vg < Vth	-	Cut - off	NMOS가 꺼져있으며 채널이 형성되지 않는다
Vg > Vth	Vd < Vgs - Vth	Triode	채널이 형성되며 저항기처럼 동작하며 전류는 Vd에 비례한다
Vg > Vth	Vd > Vgs - Vth	Saturation	채널이 pinchoff에 도달하며 전류는 Vg에 비례한다

 

 

이렇게 MOSFET 동작원리와 구조에 대하여 알아보았는데

 

PMOS 또한 비슷한 원리로 상태만 약간의 차이가 발생하여 동작합니다

 

나중에 PMOS는 수식까지 더 세세하게 설명해드리도록 하겠습니다

 

이번에는 동작에 따른 간단한 원리만 설명해서... 더 보강하여 설명을 하도록 하겠습니다