[FullCustomIC] MOSFET 기본 이론(3)_Operation modes 등

■ MOS Capacitor

 : Metal - Oxide - Semiconductor로 이루어진 Capacitor

 : MOSFET에서 [GATE - Si02(절연체) - BODY] 는 Capcitor와 같은 형태

(a) : Accumulation, (b) : Depletion, (c) : Inversion

 

MOSFET CV 곡선

 

⦁ Gate 전압에 따라 Accumulation(축적), Depletion(공핍), Inversion(반전) 3가지 상태

@ Body p+ Substrate 가정)

     (a) : Accumulation (축적)

         - 조건 : Gate 전압 < 0

         - channel X → MOSFET OFF → Drain-Source 전류 X

     (b) : Depletion (공핍)

         - 조건 : 0< Gate 전압 < Vth

         - 완전한 n-channel 형성 전 → MOSFET OFF →  Drain-Source 전류 X

     (c) : Inversion (반전)

         - 조건 : Gate 전압 > Vth

         - n-channel 형성 → MOSFET ON →  Drain-Source 전류 O

 

$Capacitance\;C = \frac{\varepsilon \ast A}{d}$

    →  A = channel 크기, d = 절연체 길이이므로 Accumulation C = Inversion C

           (두 영역에서 A와 d는 같음)

 + Depletion 영역에서는 chennal이 형성되기 전이어서 A가 작아 Capacitance ↓

 

⦁ MOSFET에는 여러개의 parasitic-Capacitance(기생 Cap) 존재 → High frequency에서 고려해야 할 요소

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Cut-off

: Gate 전압이 Vth(문턱 전압)보다 낮아 전류가 거의 흐르지 않는 상태

    ⦁ 조건 : $V_{gs}< V_{th}$ 

    ⦁ 전류 $I$ $\approx 0$

 

Linear

 : Drain 전압이 커질수록 전류가 선형적으로 증가하는 상태  →  저항과 유사

    ⦁ 조건 : $V_{gs} > V_{th},\;\; V_{ds}<(V_{gs} - V_{th})$ 

    ⦁ 전류 $I$ $\approx V_{ds}, V_{gs}$  →  Gate전압과 Drain전압 크기에 따라 전류 $I$ 선형적 변화

    ⦁ 전류 $I$ 공식 : $I_{ds}=\mu _{n}C_{ox}\frac{W}{L}(V_{gs}-V_{th}-\frac{V_{ds}}{2})V_{ds}$

 

         ▶  Linear 영역에서 전류 $I$는 Gate 전압과 Drain 전압에 비례  → 저항과 유사

 

Saturation

 : Drain 전압이 일정 이상이 되어 더이상 전류가 증가하지 않고 일정하게 유지되는 상태

    ⦁ 조건 : $V_{gs} > V_{th},\;\; V_{ds}>(V_{gs} - V_{th})$ 

    ⦁ 전류 $I$ $\approx V_{gs}$  →  Gate전압 크기에 따라 전류 I 변화

    ⦁ 전류 $I$ 공식 : $I_{ds}=\frac{1}{2}\mu _{n}C_{ox}\frac{W}{L}(V_{gs}-V_{th})^{2}$

 

※ pinch-off 현상 : Drain 전압이 일정 이상$( \geq V_{gs}-V_{th}$) 높아지면 channel이 끊기는 현상 발생

      → PN junction에서 reverse bias(역방향 전압)이 걸리면 depletion 영역이 확대되기 때문

 

         ▶  Saturation 영역에서 전류 $I$는 Gate 전압에 비례 

 

비교

	Cut-off	Linear	Saturation
조건	$V_{gs}< V_{th}$	$V_{gs} > V_{th},\;\; V_{ds}<(V_{gs} - V_{th})$	$V_{gs} > V_{th},\;\; V_{ds}>(V_{gs} - V_{th})$
전류 $I$	$I\approx 0$	$I\approx V_{ds}, V_{gs}$	$I\approx V_{gs}$
공식	-	$I_{ds}=\mu _{n}C_{ox}\frac{W}{L}(V_{gs}-V_{th}-\frac{V_{ds}}{2})V_{ds}$	$I_{ds}=\frac{1}{2}\mu _{n}C_{ox}\frac{W}{L}(V_{gs}-V_{th})^{2}$
		Drain 전압 증가 → 전류 증가	Drain 전압 증가 → 전류 증가X

         ▶  $V_{ds}< V_{dSat}$ → Linear

              $V_{ds}\geq V_{dSat}$ → Saturation

             $( V_{dSat}=V_{gs}-V_{th}$)

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■ Body Effect

 : Body 전압에 따라 Threshold Voltage를 변화시킬 수 있음

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■ Parameter

전류 이득을 알 수 있는 h21 제일 중요

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참고 문헌

 

CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective [With Access Code] 제 4판
(Neil H. E. WesteDavid Money Harris, 한티에듀, 2021.02.05)

 

 

 

 

 

Made By Minseok KIM