#17. MOSFET의 동작 영역에 대해 쉽게 이해하기

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)의 동작 영역을 이해하는 것은 회로 설계에 있어서 굉장히 중요합니다. MOSFET은 주로 스위치 용도로 사용하거나 증폭기 용도로 사용합니다. LNA나 OPAMP와 같이 소신호를 다루는 사람이라면 주로 증폭기 용도로 사용할 것이고, 전원 또는 제어 보드를 설계하는 사람이라면 주로 스위치 용도로 사용할 겁니다. 따라서, MOSFET을 용도에 따라 적절히 사용하기 위해서 동작 영역에 대한 이해가 반드시 필요 합니다.

 

MOSFET은 게이트 전압에 따라 채널의 전도성 또는 저항성을 조절하여 전류를 제어하는 반도체 디바이스입니다. 저항성이 낮은 동작영역(Triode)을 활용하여 스위치처럼 동작하게 하거나 저항성이 높은 영역(Saturation)을 사용하여 증폭기로 사용하기도 합니다. MOSFET의 동작 영역은 게이트-소스 전압(VGS)과 임계 전압(Vth), 그리고 드레인-소스 전압(VDS)의 크기에 따라 분류됩니다. 그림 1은 MOSFET의 세 가지 동작 영역을 알기 쉽게 나타낸 그래프 입니다.

 

[그림 1. MOSFET의 동작 영역]

 

그림 1과 같이 MOSFET의 동작영역은 Cutoff 영역, Triode(Linear 또는 Ohmic) 영역, Saturation 영역 이렇게 세 가지 영역으로 나뉩니다. 세 가지 영역에 대한 상세 내용은 아래와 같습니다.

 

1. Cutoff 영역

▷ VGS < Vth: 게이트-소스 전압(VGS)가 임계 전압(Vth) 보다 작으므로 도통되지 않습니다. 따라서, 전류가 흐를 수 있는채널이 형성되지 않습니다.

▷ 드레인-소스 전압(VDS)과 관계없이 MOSFET은 도통되지 않는 상태로 전류가 거의 흐르지 않는 영역입니다.

 

2. Triode 영역 (Linear 또는 Ohmic 영역)

▷ VGS > Vth, VGS - Vth > VDS: 게이트-소스 전압(VGS)가 임계 전압(Vth) 보다 크기 때문에 전류가 흐를 수 있는 통로인 채널이 형성 됩니다.

▷ VDS가 증가함에 따라 전류 Id가 증가하는 선형영역을 나타냅니다.(실제 정확히 비례하지는 않습니다)

▷ VGS가 증가함에 따라 저항(△VDS/△Id) 성분이 감소 합니다.

▷ VDS가 0에 가까운 영역을 Deep Triode 영역(그림 2 참고)이라고 하고, 저항성분이 매우 작기 때문에 MOSFET을 스위치로 동작시킬 때 주로 사용하는 영역 입니다.

▷ 신호를 전달하거나 차단하기 위한 스위치 어플리케이션으로 사용하는 영역 입니다.

 

[그림 2. MOSFET의 Deep triode 동작 영역]

 

3. Saturation 영역

▷ VGS > Vth, VGS - Vth < VDS: 게이트-소스 전압(VGS)가 임계 전압(Vth) 보다 크기 때문에 전류가 흐를 수 있는 통로인 채널이 형성 됩니다.

▷ VDS가 변하더라도 전류 값이 일정한 영역 입니다.(실제 환경에서는 MOSFET의 채널길이 변조효과로 인해 일정하지 않고, VDS가 증감함에 따라 낮은 기울기를 가지고 증가하는 경향이 있습니다)

▷ 신호 강도를 증폭하거나 조절하기 위한 증폭기 용도로 사용할 수 있습니다. 

 

여기까지 MOSFET의 동작 영역에 대해 알아보았습니다. 주로 MOSFET이 이상적인 환경일 때를 가정하고 설명한 내용이기 때문에 실제 환경에서는 채널길이 변조 효과, 속도 포화, 임계전압 효과 등등에 의한 영향으로 그림 1의 그래프와는 약간 다른 형태를 보이지만 기본적인 내용을 이해하기에는 충분할 것으로 생각됩니다. 이상 포스팅을 마치겠습니다~!