MOSFET: 게이트 전압이 전류 통로를 만드는 방식
MOSFET은 게이트의 전기장으로 소스와 드레인 사이의 전류를 제어하는 소자다. 게이트와 반도체 사이에 절연층이 있어 정상 상태의 게이트 전류는 매우 작다. 그러나 게이트를 전압만 걸면 되는 이상적인 단자라고 보면 고속 스위칭과 구동 손실을 설명하기 어렵다. 절연층과 소자 구조에 생기는 용량을 충전하고 방전하는 전류가 필요하기 때문이다.
증가형 NMOS에서 통로가 형성된다
증가형 N채널 MOSFET의 단순한 구조에서는 P형 몸체 위에 충분히 양의 게이트·소스 전압을 가하면 표면에 전자가 모여 반전 채널이 형성된다. V_GS = V_G - V_S, V_DS = V_D - V_S로 정의하고, 양의 드레인 전류 I_D는 드레인으로 들어가 소스로 나오는 관습적 전류로 둔다. 채널의 전자는 그 반대 방향으로 이동한다.
문턱 전압을 V_TH라 할 때 오버드라이브 전압은 V_OV = V_GS - V_TH다. 강반전의 장채널 모델에서는 V_GS > V_TH와 0 < V_DS < V_OV일 때 삼극관 영역으로 분류한다. 드레인 전압이 오버드라이브 이상이면 포화 영역에 들어간다. MIT의 MOSFET 특성 자료는 이 영역의 경계를 전압 조건으로 설명한다.
포화라는 이름이 항상 같은 뜻은 아니다
삼극관 영역의 근사식은 I_D = k_n[(V_GS - V_TH)V_DS - V_DS²/2]이며, 채널 길이 변조를 무시한 포화 영역에서는 I_D = (k_n/2)(V_GS - V_TH)²다. k_n = μ_n C_ox W/L은 A/V² 단위다. 포화는 드레인 쪽 채널 끝의 조건이 달라져 전류의 드레인 전압 의존성이 작아지는 동작을 뜻한다. BJT의 포화와 같은 접합 상태를 의미하지 않는다.
설명용으로 k_n = 2 mA/V², V_TH = 1 V, V_GS = 2 V를 가정하자. V_DS = 0.1 V에서는 삼극관 식으로 약 0.19 mA가 흐른다. V_DS ≥ 1 V의 포화 근사에서는 약 1 mA다. 이는 몸체 효과와 단채널 효과 등을 무시한 교육용 모델이며 실제 전력 MOSFET의 특성 곡선을 그대로 대체하지 않는다.
문턱 전압은 완전 도통 전압이 아니다
데이터시트의 V_GS(th)는 지정한 작은 드레인 전류가 흐를 때의 게이트 전압이다. 예를 들어 TI CSD18541F5 자료는 문턱 특성의 측정 전류를 따로 명시한다. 이 값을 조금 넘겼다고 큰 부하 전류를 낮은 손실로 공급할 수 있는 것은 아니다. 원하는 게이트 전압과 온도에서 보장되는 R_DS(on)을 확인해야 스위치 손실을 판단할 수 있다.
켜진 스위치의 도통 손실은 대략 P = I_D² R_DS(on)이다. 설명용으로 2 A와 50 mΩ이면 0.2 W가 된다. 이 외에 전환 중 드레인 전압과 전류가 동시에 존재하는 손실, 게이트 충전 에너지와 반복 주파수의 영향도 있다. 드레인이 상승할 때 게이트·드레인 용량으로 전하가 이동하는 밀러 효과 때문에 게이트 구동 속도가 단순 저항 하나로만 결정되지 않을 수도 있다.
게이트 구동은 정전 상태의 누설과 전환 상태의 전류를 나눠 봐야 한다. 한 번 켜는 데 필요한 게이트 전하를 Q_G라 하면 평균 구동 전류의 규모는 Q_G f_s로 추정할 수 있다. 예를 들어 설명용 전하 10 nC와 반복 주파수 100 kHz는 약 1 mA에 해당한다. 그러나 짧은 전환 시간에 전하를 공급하려면 순간 전류는 평균보다 훨씬 클 수 있다. Q_G도 지정된 드레인·게이트 전압 조건에 따른 값이다.
문턱 아래에서도 서브스레시홀드 전류와 누설이 존재하므로 차단 전류가 정확히 0은 아니다. 일반적인 개별 전력 MOSFET에는 몸체 다이오드도 있어 채널을 껐다고 양방향 전류가 모두 차단되지는 않는다. P채널 소자는 전압의 극성이 반대이며 구동은 반드시 소스를 기준으로 해석해야 한다. 모델의 동작 영역과 제품의 전류·열·구동 사양을 구분하면 증폭기와 스위치에서의 역할을 정확히 읽을 수 있다.