#6-1. MOSFET에 붙어있는 다이오드는 뭘까?

[그림 1. MOSFET을 표현하는 다양한 심볼]

 
그림 1은 MOSFET을 나타내는 다양한 심볼들 입니다. 화살표도 제각각이고 뭔가 조금씩 다 모양이 다릅니다. 대부분의 PMOS 심볼은 Gate에 동그라미를 그려서 이게 붙어 있으면 아 PMOS인가보다 싶지만 또 어떤 심볼은 동그라미를 표현하지 않기도 합니다. 하나의 MOSFET을 굉장히 다양하게 그려서 헷갈리죠. 그래봐야 다 똑같은 MOSFET인데,, MOSFET을 많이 보다 보면 그림 2와 같이 어떤 심볼은  Drain과 Source에 웬 다이오드가 하나 붙어 있는 걸 볼 수 있습니다. MOSFET은 Gate, Drain, Source로 구성된다고 배웠는데 이 다이오드는 뭘까? 라는 생각을 많이 가질거에요. 저 또한 그랬습니다.
 

 사실 MOSFET은 Gate, Source, Drain 외에 Body라는 단자가 하나 더 있습니다. 그림 1의 예시 1을 보면 MOSFET의 Drain과 Source 사이에 막대기 하나가 보이는데 이 단자가 바로 Body 입니다. Substrate 라고도 하고, Wafer라고도 하죠. 그런데 그림 1의 예시 2를 보면 Body 단자가 Source에 붙어 있어요. 예시 1은 Body 단자가 Floating 상태이지만 예시 2는 Source에 붙어있기 때문에 두개 심볼이 의미하는 바는 꽤 큰 차이가 있습니다. 여기서 할 얘기는 아니니 다음으로 넘어갑시다.
 

[그림 2. 다이오드가 포함된 MOSFET]

자, 이제 그림 2의 심볼을 봅시다. 그림 2의 심볼에서 다이오드만 빼면 그림 1의 예시 2와 똑같아 보이죠? 맞습니다. 두 개 심볼은 동일한 심볼입니다. 그림 2의 다이오드는 MOSFET의 물리적인 구조로 인해 생기는 기생 다이오드를 표현한 것이고, 그림 1의 예시 2는 이를 생략하였을 뿐입니다. 두 개 심볼이 왜 동일한 심볼인지 NMOS의 물리적인 구조로 확인해 봅시다. 그림 3은 가장 흔하게 볼 수 있는 NMOS의 물리적인 구조입니다. 이 때의 심볼은 그림 1의 예시 1과 동일합니다. (심볼에서 화살표 방향은 헷갈리기만 하니까 신경쓰지 맙시다)
 

[그림 3. NMOS의 물리적인 구조]

 
#5. Diode의 정의와 기본적인 동작 특성 :: 아날로그 회로 설계 (tistory.com)에서 N type과 P type이 접합하면 다이오드가 되는 것을 확인하였습니다. 따라서, Drain과 Source의 N+와 Body의 P substrate가 접합함으로써 나타나는 기생 다이오드를 표현하면 그림 4와 같이 그릴 수 있습니다.  
 

[그림 4. 기생 다이오드를 포함하는 NMOS의 물리적인 구조]

그림 4의 오른쪽 심볼을 보면 MOSFET에 기생 다이오드가 2개 붙어있는 것을 확인할 수 있습니다. 점점 그림 2의 형태와 비슷해지는 것 같습니다. 자 그러면, 이제 Source와 Body를 단락(short)시켜 봅니다. (MOSFET을 사용할 때 주로 이렇게 Source와 Body를 단락시킨 상태로 사용합니다)
 

[그림 5. Source와 Body가 단락된 NMOS의 물리적인 구조]

 
Source와 Body를 단락시켰기 때문에 Source와 Body의 전위차가 사라지고, 다이오드는 보이지 않게 됩니다. 이를 그림 5와 같이 표현할 수 있습니다. 그림 5의 심볼을 그림 2의 NMOS 심볼과 자세히 비교해 보면 두 개 심볼이 동일하다는 것을 금방 알아차릴 수 있을 겁니다. 즉, 그림 1의 예시 2도 다이오드가 기생 성분이므로 표시만 안했을뿐 동일한 심볼인 것을 알 수 있습니다.
 
이왕 시작한거 PMOS도 한번 그려 봅니다.

[그림 5. Source와 Body가 단락된 PMOS의 물리적인 구조]

그림 5의 PMOS 심볼을 보면 그림 2의 PMOS 심볼과 동일한 것을 확인할 수 있습니다. 여기까지 기생 다이오드가 뭔지 왜 생기는지 왜 MOSFET 심볼에 포함되는지를 알아보았습니다. 참고로 기생 다이오드는 바디 다이오드라고도 하고, 벌크 다이오드라고도 합니다.

 

한 가지 더, 기생 다이오드는 기생 인덕턴스나 기생 커패시터와는 달리 좋은 용도로 사용할 수 있습니다. 역극성 보호 회로를 구성할 때 굉장히 유용하게 사용되는데 어떻게 활용하는지 한 번 봅시다.

 

[그림 6. 역극성 보호 회로]

 

사용자가 실수로 배터리를 잘못 꽂았을 때, 입력 전원은 12V가 아닌 -12V가 인가될 수 있습니다. 이 때, 배터리 쪽으로 역으로 전류가 흐르는 현상을 방지하고자 그림 6과 같이 PMOS를 전원라인에 삽입합니다. 그러면 MOSFET의 기생 다이오드는 역방향 전압이 걸리므로 OPEN 상태가 되고, 또 VSG = 0V 이므로 MOSFET도 OPEN 상태가 되기 때문에 출력 전압은 0V를 유지할 수 있습니다. 역극성 보호 회로는 이렇게 배터리를 반대로 연결했을 때 회로를 차단하고, 정상으로 연결했을 때는 단락이 되어 정상적으로 회로가 동작할 수 있어야 합니다. 그런데 만약에 기생 다이오드가 없으면 어떻게 될까요?

 

[그림 7. 기생 다이오드가 없는 역극성 보호 회로]

 

그림 7에서 입력으로 정상 전압 12V를 인가하더라도 VSG는 여전히 0V이므로 MOSFET은 OPEN된 상태입니다. 출력 전압 또한 0V가 되겠죠. 그럼 이제 기생 다이오드가 있는 경우를 봅시다. 

 

[그림 7. 역극성 보호 회로에서 기생 다이오드의 활용]

기생 다이오드에 의해 Vin과 Vout 사이에 0.7V 만큼 전압 드롭이 생기고 Drain 노드 전압이 11.3V가 되므로 VSG = 11.3V가 되어 MOSFET이 켜집니다. MOSFET이 켜졌을 때 Ron 저항이 굉장히 작으므로 기생 다이오드는 보이지 않게 되고, Ron 저항에 의한 미미한 전압 드롭이 발생합니다. Ron 저항이 100mΩ이고 부하단에서 1A가 흐른다고 가정하면 100mV의 드롭이 발생해서 출력 전압 Vout은 11.9V가 될 겁니다. 이렇게 기생 다이오드는 전원부에서 MOSFET이 역극성 회로로써 제대로 동작할 수 있도록 톡톡한 역할을 하는 녀석입니다. 여기까지 포스팅을 마칩니다~!