안녕하세요, 이번에는 전계효과소자 에 관해서 이야기하겠습니다. 전계효과소자 특히 MOSFET은 가장 기본적인 회로 구현 단위로 크기가 작아, 저비용 고집적 회로를 제작할 수 있으며 전력 소모가 적고 속도가 바르므로 고주파 대역의 신호를 사용하는 칩등에 사용됩니다. 

목차

1. 반도체와 캐리어 모델링
2. 캐리어의 움직임
3. PN 접합 다이오드
4. 쌍극성접합 트랜지스터
5. 전계효과 소자
6. 반도체의 8대공정
7. 연산증폭기 

전계효과 소자 FET 

전계효과 소자는  bipolar transistor 과 다르게 carrier이 오직 하나입니다. 

mosfet의 구조는 위와 같습니다. gate 부분에서 전압을 통해 소스와 드레인 사이의 통로를 만듭니다. 게이트 산화막 밑 작은 통로가 생기고 이를 통해 전류가 흐르게 됩니다. 
FET라는 용어는 Field effect transistor이라는 뜻으로 게이트가 산화막을 통해 전기장을 사용하여 트랜지스터를 키고 끄는 것에 기인했습니다. 
MOSFET은 게이트 전압에 따라 꺼지거나 켜질 수 있습니다. 마치 하나의 on off 스위치처럼 이용할 수 있습니다. 

상보형 MOS 기술 

위 이미지는 소스와 드레인을 N으로 도핑한 만큼 NFET이라고 부릅니다. 전도채널에 전자가 풍부하여 N채널이라고 부르며 P패널은 반대입니다. 이때 게이트 전압이 일정 전압으로 올라가게 되면 NFET은 켜지고 PFET은 꺼집니다. 반대로 게이트 전압이 0이 되면 NFET은 꺼지고 PFET은 켜집니다. 이를 활용해 NFET과 PFET을 이용해 CMOS 회로를 만들수 있습니다. 아래 그림과 같이 동그라미가 있는 소자를 PFET, 동그라미가 없는 소자를 NFET이라고 합니다. CMOS는 전력소비가 매우적고 간단해서 IC칩의 기본이 되었습니다. 

오늘은 간단하게 FET에 대해 알아보았습니다. 사실은 훨씬 방대한 내용이 있지만 요약 글이다 보니 간단하게 적었습니다. 자세한 내용을 원하면 현대 반도체소자공학, 반도체소자 관련 책을 찾아보는 것을 추천드립니다. 

안녕하세요, 이번에는 쌍극성 접합 트랜지스터 에 관해서 이야기하겠습니다. 

시작하기전에 트랜지스터란 Trans+resistor에서 나온 단어입니다. 저항을 맘대로 바꾸어 줄 수 있다. 즉 전기를 증폭하거나 신호를 키고 끄는데 효과적인 소자입니다. 인류에게 있어 손꼽는 발명품이기도 합니다. 트랜지스터는 주로 전계효과소자( FET) 쌍극성 접합 트랜지스터 (BJT)를 위주로 배웁니다. 

목차

1. 반도체와 캐리어 모델링
2. 캐리어의 움직임
3. PN 접합 다이오드
4. 쌍극성접합 트랜지스터
5. 전계효과 소자
6. 반도체의 8대공정
7. 연산증폭기 

쌍극성 접합 트랜지스터

Bipolar junction transistor은 BJT로 많이 불리는 소자입니다. PNP나 NPN 접합으로 이루어져 있고 가운데의 좁은 영역은 베이스, 바깥쪽의 두 영역은 이미터와 컬렉터라고 불리는데요, 이미터는 컬렉터에 비해 고농도로 도핑되어있습니다.  BJT는 이름 그대로 전자와 양공을 이용합니다. 

그림을 보면 이미터의 전류가 베이스 전류와 컬렉터의 전류의 합이라는 것을 알 수 있습니다. EB사이에는 정방향이 흐르고 C-B접합에서는 역방향이 흐른다는 것을 알 수 있습니다만, 이는 바이어스 모드가 활성 모드일 때이고 동작모드에 따라 바이어스가 달라집니다. 

다음은 바이어스에 따라 동작모드를 나타냈습니다. 포화 차단 영역에서는 스위칭으로 활성 영역에서는 증폭기로 쓰이게 됩니다. 

BJT는 MOSFET과 달리 전자와 정공 둘다 전류에 기여를 하고, 주로 전류증폭 기능위주로 사용됩니다. 

다음에는 FET을 알아보겠습니다. 

안녕하세요, 이번에는 pn접합 다이오드 에 관해서 이야기하겠습니다. 

목차

1. 반도체와 캐리어 모델링
2. 캐리어의 움직임
3. PN 접합 다이오드
4. 쌍극성접합 트랜지스터
5. 전계효과 소자
6. 반도체의 8대공정
7. 연산증폭기 

pn 접합 다이오드 

1번 게시글에서 p형 다이오드와 n형 다이오드에 대해서 보았습니다. pn 다이오드는 말 그대로 p형과 n형의 결합입니다. 다이오드는 한방향으로 전류를 흐르게 하는 소자로 회로 구성에 있어 굉장히 중요한 소자중 하나입니다.

p형과 n형을 결합하게 되면 N형쪽보다 P형쪽에 정공이 많기에 정공은 P형에서 N형으로 확산( DIFFUSION)을 시작합니다. 전자 역 시 마찬가지입니다. 결과적으로 p형과 n형 접합부근에 도너들과 억셉터들이 공간적으로 고정이 됩니다. 이를 공핍영역이라고 부르고 이 영역에서 캐리어 농도가 매우 감소됩니다. 

pn 접합 다이오드 - 이상적인 i-v 특성 

이상적으로 다이오드에서  순방향으로 전압을 걸어주게 된다면,  전류가 엄청나게 잘 흐르는 것을 알 수 있습니다. 이는 우리가 에너지 대역도에서 P형과 N형 사이의 전위언덕을 감소시키는 것으로 생각하면 됩니다.

위처럼 P형과 N형 사이 에너지 언덕이 줄어들게 됩니다.  그러나 역방향으로 걸어주게 된다면, 에너지 언덕이 높아지기에 전류가 역방향으로 아주 조금 흐릅니다. 

따라서 위 그림처럼 그래프를 그릴 수 있겠습니다. 한편 브레이크다운 부분을 보시면 갑자기 큰 역전류가 흐르는 것을 알 수 있습니다. 이는 이상적인 다이오드가 아니어서 그렇습니다. 이를 항복 이라고 부릅니다. 이 항복전류를 활용해서 만든 다이오드들이 있습니다. 

다이오드의 종류

1. 제너 다이오드: 제너다이오드는 역방향 바이어스에서 항복 전압 이상이 되면 역방향의 항복 전류가 흐르는 것을 이용하는 다이오드가 정전압 다이오드입니다. 마치 역방향 전압을 순방향 전압처럼 사용합니다. 제너다이오드는 전류가 변해도 전압이 거의 일정하게 됩니다. ( BREAKDOWN GRAPH 확인)  따라서 안정한 전압을 주고자 할 때 사용합니다.

2. 쇼트키 다이오드:  쇼트키 배리어 다이오드는 금속과 반도체와의 접합을 통해 발생하는 쇼트키 배리어를 이용한 다이오드입니다.  주로 스위칭 다이오드로 많이 사용됩니다. 순방향 전압 강하가 낮기 때문에 스위칭 손실이 다른 다이오드보다 적습니다. 

다이오드는 전력변환회로에 있어 필수적인 소자입니다. 다음에는 쌍극성 접합소자를 이야기하겠습니다.

안녕하세요, 이번에는 캐리어의 움직임 표동 확산에 관해서 이야기하겠습니다. 

목차

1. 반도체와 캐리어 모델링
2. 캐리어의 움직임
3. PN 접합 다이오드
4. 쌍극성접합 트랜지스터
5. 전계효과 소자
6. 반도체의 8대공정
7. 연산증폭기 

캐리어의 움직임 두가지. 표동 (Drift)  확산 (Diffusion) 

캐리어의 움직임 원인은 두가지가 있습니다. 주로 표동과 확산이 있는데요. 표동부터 보겠습니다

1. 표동

표동은 가해진 전기장에 따른 전하를 가진 입자들의 움직임 입니다. 즉 전계가 걸렸을 때 캐리어에 힘이 가해지게 되는 것입니다. 에너지 대역도에서 물질내에 전기장이 존재하게 된다면 대역 에너지는 위치의 함수가 됩니다. 이를 통해 전계와 전압을 계산할 수 있습니다. 간단하게 다루기 때문에 생략하겠습니다.

2. 확산 

확산은 입자들의 불확정적인 열에 의한 움직임의 결과로 퍼져나가거나 재배치 되는 경향입니다. 이에 높은 입자밀도의 영역에서 낮은 입자밀도로 이동하게 됩니다. 

따라서 총 전류를 계산할 떄에는 DIFFUSION과 DRIFT를 동시에 계산해야합니다. 반도체 내에서 전체 전류는 표동과 확산의 결합입니다. 

간단하게 캐리어의 움직임을 다루어 보았습니다. 다음에는 PN 접합다이오드를 다루겠습니다.