실험9예비보고서. MOSFET의 특성 Down 실험9예비보고서. MOSFET의 특성실험9예비보고서. MOSFET의 특성 실험9. MOSFET의 특성 1.실험목적a.소자 문턱 전압과 소자 전도도변수를 측정해 본다b.MOS 소자의 특성 곡선을 측정해보고 이를 통해서 MOS의 여러 특성에 대해 알아본다2.기초이론 전계-효과 트랜지스터BJT와 마찬가지로 FET에서도 두 단자사이의 전압이 제 3의 단자에 흐르는 전류를 제어한다 따라서 FET는 증폭기나 스위치로 사용될 수 있다. FET에는 여러 종류가 있지만 주로 사용되는 것은 MOSFET이다. BJT에 비해 MOS 트랜지스터는 아주 작게 만들 수 있고 제조 공정이 비교적 간단하다 더욱이 MOSFET만을 이용하여 디지털 논리 기능과 메모리 기능을 실현할 수 도 있다. 이런 이유로 현재의 대부분의 VLSI회로는 MOS기술로 만들어 지고 있다.전류 전도를 위한 채널의 형성NMOS트랜지스터의 경우 게이트가 소스에 대하여 양의 전위를 가지고 있다면 자유 정공들을 게이트 아래의 기판 영역으로부터 밀어낼 것이다 이 정공들은 기판의 아래쪽으로 밀려날 것ㅇ고 정공들이 있던 자리에는 캐리어 공핍 영역이 남게된다 이 공핍 영역은 억셉터 원자들과 연관된 속박 음전하들로 구성될 것이며 이 속박 음전하 들은 그들을 중화 시키던 정공들이 기판 아래족으로 밀려났기 때문에 노출되어 있을 것이다. 또한 양의 게이트 전압은 저항들을 n+소스 및 드레인 영역으로부터 채널 영역으로 끌어당길 것이다. 충분한 수의 전자들이 게이트 아래의 기판 표면 근처에 축적되면 n영역이 만들어져 소스와 드레인 사이를 전기적으로 연결할 것이다. 이 상황에서 어떤 임의의 전압이 드레인과 소스 사이에 인가된다면 유도된 n영역이 전류를 드레인으로부터 소스로 흐르게 하는 채널을 형성한다. 출분한 수의 이동 전자들이 채널 영역에 축적 되어 도통된 채널을 형성할 때의 vgs값을 우리는 문턱 전압 이라고 부르고Vt로 표시한다.분명히 n채널 FET의 Vt는 플러스일 것이다 Vt의 값은 소자를 제조하는 동안에 조절되며 보통 1에서 3V 범위내에 잇다MOSFET의 동작영역 그림 9-1에 전압 vgs와 vds가 인가되어 있는 정상적인 전류 방향이 표시된 n채널 증가형 MOSFET을 나타내었다 그림 9-2와 같은 iDS-VDS 특성들은 vgs를 일정한 값으로 유지시킨 상태에서 vds를 가변 시키면서 ID를 측정했을 때 얻어진다 MOSFET에는 세 개의 서로 다른 동작 영역 즉 차단영역, 트라이오드 영역, 포화영역이 존재한다FET를 증폭기로서 동작시키려면 포화 영역을 사용해야 하고 스위치로서 동작 시키려면 차단 영역과 트라이오드 영역을 사용해야 한다.트라이오드 영역에서의 동작 MOSFET을 트라이오드 영역에서 동작시키려면 우선 다음 식을 만족시켜 채널을 유도해야 한다그리고 채널이 끊이지 않도록 Vds를 충분히 작게 유지해 주어야 한다. 이를 위해서는 게이트 소스 사이의 전압이 다음 식과 같이 되도록 보장해 주어야한다. 즉 n채널 증가형 MOSFET는 vgs가 Vt보다 크고 드레인 전압이 게이트 전압보다 작어도 Vt볼트만큼 작을 때 트라이오드 영역에서 동작한다트라이오드영역에서 ID-vds특성은 다음의 관계식으로 표현된다.여기서 K는 다음과 같이 주어지는 소자 파라미터 이다. 단 여기서 뮤n은 전자이동도 Cox는 게이트 몸체간 커패시터의 단위 면적당 커패시턴스 L은 채널 길이 그리고 W는 채널폭을 나타낸다 주어진 공정과정에 의해 1/2unCox의 값은 상수이므로 소자의 외형비 W/L이 소자의 도전율 파라미터 K를 결정하게 된다. 만일 vDS가 충분히 작아서 위 식 9-5의 vDS^2의 항을 무시할 수 있다면 원점 부근에서의 특성곡선은 다음과 같이 근사화 될 것이다.이 선형 관계식은 모스 트랜지스터가 다음과 같은 저항 rDS로 동작 한다는 것을 의미한다포화 영역에서의 동작 MOSFEt를 포화 영역에서 동작시키기 위해서는 채널이 반드시 유도되어야 하고vDS 전압을 게이트 드레인 사이의 전압을 Vt아래로 떨어뜨리는 값까지 감소시켜 채러이 드레인 끝에서 핀치오프되게끔 해야한다즉 n채널 증가형 MOSFET는 vGS가 Vt보다 크고 드레인 전압이 게이트 전압 아래로 Vt아래로 떨어지지 않을 때 포화 영역에서 동작할 것이다트라이오드 영역과 포화영역 사이의 경계는 다음 식으로 특성화된다.이 vds의 값을 식 9-3에 대입하면 소자가 포화되었을 때 id의 전류를 가음과 같이 얻을수 있다이 식으로부터 우리는 포화영역에서 동작하는 MOSFET는 드레인 전압 vds에 무관하며 제곱 관계식에 따라 게이트 전압 Vgs에 의해서 결정되는 드레인 전류를 제공한다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서 포화된 MOSFET는 식 9-10에 보인 비선형 관계식에 따라 vgs에 의해서 제어되는 이상적인 전류원처럼 작동될 것이다.3.실험 부품 및 장비전원:듀얼 전원 공급기장비:범용 DVM 2개저항:1000,10000 옴커패시터:0.1uf전위차계(10K옴) 또는 10단저항상자CD4007, NMOS소자4.실험과정 및 예상값 소자 문턱 전압 측정VgsId0.10.010.220.50.310.970.41.60.563.120.684.650.786.120.959.05⇒ Vgs의 변화에 따른 Id를 측정한 결과 위의 표와 같이 나타났다. 이를 통해 Vgs-Id 그래프를 위와 같이 나타내어 보았다. 문턱전압이란 아래 그림과 같이 Id가 증가하기 시작하는 전압을 말하는데 시뮬레이션 한 데이터만 가지고는 정확히 어느 점이 문턱전압 인지를 알 수 없었다. 따라서 밑의 실험부터는 문턱전압을 0.8V로 가정하고 계산 하였다. 소자 전도도 변수의 측정 회로를 다시 구성하고 저항값을 Va가 1V가 될 때까지 변화시킨다.
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