PN junction과 MS junction에 대해 알았다면, MOSFET에 대해 알 차례이다.
MOSFET의 구조는 크게 Gate, Source, Drain으로 나눌 수 있다.
Gate는 크게 전하(정공/ 전자)의 흐름 유무를 조절하는 곳이다
Source는 전하의 공급원이고, Drain은 전하가 빠져나가는 곳이다.
우리가 수도꼭지에서 물을 트는 상황을 가정해보자. 물이 흐르려면, 수도꼭지 내의 물에는 위치 에너지의 차이가 있어야한다. 이처럼, 전하가 흐르기 위해서는 전위의 차이가 존재해야한다.
그렇다면 전위차를 알아보기 위해, 에너지 밴드 다이어그램(Energy band diagram)에 대해 알아보자.
Energy band diagram에 대해 알기 위해서는 '전자'와 '정공'의 개념에 대해 알 필요가 있다.
정공을 쉽게 이해하기 위해서, 정공을 전자의 빈자리의 개념으로 생각하면 이해가 쉬워진다. 전자가 이동하고 남은 빈자리에 정공(상대적 양전하)가 생긴다는 것이다.
구글링을 통해 구한 사진이다. 흔히 볼 수 있는 energy band이다.
Valence band(가전자대)는 전자가 가득 차 있는 band의 max이고, conduction band (전도대)는 전자가 없는 제일 하단을 가르킨다. 그리고 그 사이의 forbidden gap은 흔히 Band gap이라고 부르는 것으로 전자가 존재하지 않는(= forbidden)된 영역이다.
위 사진 속 energy band에는 x값에 상관없이 전하의 농도가 동일하다.
그러나, 만일 x값에 따른 전하(농도)의 차이가 발생하면 어떻게 될까?
정답은 다음과 같다. 바로 기울기가 생기는 것이다. 수도 꼭지의 물이 위치 에너지의 차이에 의해 흐르듯이 이들도 도핑 농도에 의해 흐르게 된다. 전자는 기울기를 타고 내려가는 성격을 가지고, 정공은 이와 반대로 기울기를 타고 올라가는 성질을 가진다.
위 그림 속 diffusion과 drift에 대해 간단히 소개해보자면,
diffusion(확산)은 말그대로 고농도에서 저 농도로 흐르려는 성질이고,
drift는 전계를 타고 흐르는 성질이다.
다시 MOSFET으로 돌아가자.
평형상태의 mosfet은 drain에서 source의 전류의 흐름이 존재하지 않는다. (전하의 이동이 없다)
그 이유는 이 둘 사이의 potential barrier의 존재로 전하의 흐름이 방해받기 때문이다.
그렇지만 gate에 (+) 전압이 가해지면, gate아래의 P 기판이라 쓰여진 Si에 depletion 영역과 전자로 구성된 얇은 표면 영역이 발생하며, (-) 전하가 유도된다.
이 유도된 전자들은 Channel을 형성하며, 이 채널은 drain에서 Source로 흐르는 전류 I_d를 만들어낸다.
즉, 평형상태의 Mosfet의 Gate에 전압을 가하면 내부에 전류가 흐르는 것이다.