p채널 공핍형 MOSFET의 전압 대 전류 전달특성곡선으로 옳은 것은?
2020년 국가직 9급 전자공학개론 11번
2020년도 시행 • 11번 문항
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정답: 1번
■ 1단계: p채널 공핍형 MOSFET의 동작 원리
• 공핍형(Depletion-mode) 구조: 제조 공정상 물리적인 전도 채널이 이미 형성되어 있어 $V_{GS} = 0\text{ V}$일 때 최대 기준 포화 전류인 $I_D = I_{DSS}$가 흐릅니다.
• 다수 캐리어(정공, Hole) 제어:
- 공핍 모드 ($V_{GS} > 0\text{ V}$): 게이트에 양(+)의 전압을 인가하면 n형 기판의 전자가 채널 영역으로 유입되어 정공과 재결합하므로 전도 채널 폭이 좁아집니다. 그 결과 $V_{GS}$가 증가할수록 드레인 전류 $I_D$가 감소하며, 차단 전압인 $V_{GS(\text{off})} > 0\text{ V}$에서 채널이 완전히 닫힙니다 ($I_D = 0$).
- 증가 모드 ($V_{GS} < 0\text{ V}$): 게이트에 음(-)의 전압을 인가하면 채널 내로 정공이 추가로 유인되어 채널이 확장되므로 $I_D > I_{DSS}$로 전류가 증가합니다.
■ 2단계: 전달특성 방정식(Shockley Equation) 및 곡선 형태
• p채널 공핍형 MOSFET의 전달특성 방정식:
$$I_D = I_{DSS} \left(1 - \frac{V_{GS}}{V_{GS(\text{off})}}\right)^2 \quad (V_{GS(\text{off})} > 0)$$
• $V_{GS} = 0\text{ V}$에서 $I_D = I_{DSS}$를 지나고, $V_{GS} > 0\text{ V}$ 구간에서 2차 곡선을 그리며 감소하여 양의 핀치오프 전압 $V_{GS(\text{off})}$에서 전류가 $0$이 되는 곡선이 올바른 형태입니다.
■ 3단계: 보기별 곡선 특성 판별
• ①번 (정답): $V_{GS} = 0\text{ V}$에서 $I_{DSS}$, $V_{GS} > 0\text{ V}$에서 감소하여 $+V_{GS(\text{off})}$에서 $0$이 되는 p채널 공핍형 MOSFET 곡선
• ②번: $V_{GS} = 0\text{ V}$에서 $I_{DSS}$, $V_{GS} < 0\text{ V}$에서 감소하여 $-V_{GS(\text{off})}$에서 $0$이 되는 n채널 공핍형 MOSFET(또는 JFET) 곡선
• ③번, ④번: 문턱 전압($V_{th}$)을 넘어서야 도통하는 증가형(Enhancement-mode) MOSFET 곡선
■ 최종 결과:
• 올바른 전달특성곡선은 ①번
• 공핍형(Depletion-mode) 구조: 제조 공정상 물리적인 전도 채널이 이미 형성되어 있어 $V_{GS} = 0\text{ V}$일 때 최대 기준 포화 전류인 $I_D = I_{DSS}$가 흐릅니다.
• 다수 캐리어(정공, Hole) 제어:
- 공핍 모드 ($V_{GS} > 0\text{ V}$): 게이트에 양(+)의 전압을 인가하면 n형 기판의 전자가 채널 영역으로 유입되어 정공과 재결합하므로 전도 채널 폭이 좁아집니다. 그 결과 $V_{GS}$가 증가할수록 드레인 전류 $I_D$가 감소하며, 차단 전압인 $V_{GS(\text{off})} > 0\text{ V}$에서 채널이 완전히 닫힙니다 ($I_D = 0$).
- 증가 모드 ($V_{GS} < 0\text{ V}$): 게이트에 음(-)의 전압을 인가하면 채널 내로 정공이 추가로 유인되어 채널이 확장되므로 $I_D > I_{DSS}$로 전류가 증가합니다.
■ 2단계: 전달특성 방정식(Shockley Equation) 및 곡선 형태
• p채널 공핍형 MOSFET의 전달특성 방정식:
$$I_D = I_{DSS} \left(1 - \frac{V_{GS}}{V_{GS(\text{off})}}\right)^2 \quad (V_{GS(\text{off})} > 0)$$
• $V_{GS} = 0\text{ V}$에서 $I_D = I_{DSS}$를 지나고, $V_{GS} > 0\text{ V}$ 구간에서 2차 곡선을 그리며 감소하여 양의 핀치오프 전압 $V_{GS(\text{off})}$에서 전류가 $0$이 되는 곡선이 올바른 형태입니다.
■ 3단계: 보기별 곡선 특성 판별
• ①번 (정답): $V_{GS} = 0\text{ V}$에서 $I_{DSS}$, $V_{GS} > 0\text{ V}$에서 감소하여 $+V_{GS(\text{off})}$에서 $0$이 되는 p채널 공핍형 MOSFET 곡선
• ②번: $V_{GS} = 0\text{ V}$에서 $I_{DSS}$, $V_{GS} < 0\text{ V}$에서 감소하여 $-V_{GS(\text{off})}$에서 $0$이 되는 n채널 공핍형 MOSFET(또는 JFET) 곡선
• ③번, ④번: 문턱 전압($V_{th}$)을 넘어서야 도통하는 증가형(Enhancement-mode) MOSFET 곡선
■ 최종 결과:
• 올바른 전달특성곡선은 ①번