MOSFET의 차단 영역·선형 영역·포화 영역의 차이: 조건·전류 식·용도 비교

MOSFET의 동작은 게이트-소스 간 전압 VGS와 드레인-소스 간 전압 VDS에 따라 세 영역으로 나뉩니다. 차단 영역에서는 VGS가 문턱 전압 Vth보다 낮아 채널이 생기지 않으므로 전류가 거의 흐르지 않습니다. 선형 영역(트라이오드 영역)에서는 채널이 소스에서 드레인까지 이어져, 게이트 전압으로 값이 바뀌는 저항처럼 동작합니다. 포화 영역에서는 채널이 드레인 끝에서 핀치오프되고 전류가 VDS와 거의 관계없이 VGS로 정해지므로, 증폭이나 전류원에 씁니다. 또한 바이폴라 트랜지스터의 '포화'는 스위치의 온에 해당하는 다른 상태이므로, 같은 말이라도 뜻이 다르다는 점에 주의해야 합니다.

비교 항목차단 영역선형 영역(트라이오드 영역)포화 영역
조건(nMOS)VGS < VthVGS > Vth이고 VDS < VGS − VthVGS > Vth이고 VDS ≥ VGS − Vth
채널의 상태반전층이 생기지 않는다(약한 반전뿐)소스에서 드레인까지 반전층이 이어진다드레인 끝에서 반전층이 사라진다(핀치오프)
드레인 전류 식(장채널)ID ≈ 0. 실제로는 서브스레숄드 전류가 VGS에 따라 지수 함수적으로 늘어난다ID = μCox(W/L)[(VGS − Vth)VDS − VDS²/2]ID = (1/2)μCox(W/L)(VGS − Vth)². 채널 길이 변조를 넣으면 (1 + λVDS)배
전류의 거동오프. 서브스레숄드 스윙의 하한은 실온에서 이론상 약 60 mV/decadeVDS가 작으면 ID는 VDS에 거의 비례하고, VDS가 커질수록 기울기가 작아진다ID는 VDS와 거의 관계없고, (VGS − Vth)의 제곱에 비례한다
소신호에서 보이는 모습거의 개방VDS가 작을 때 온 저항 Ron ≈ 1/[μCox(W/L)(VGS − Vth)]의 저항상호 컨덕턴스 gm = 2ID/(VGS − Vth)의 전압 제어 전류원. 출력 저항은 ro ≈ 1/(λID)
수치 예(μCox(W/L) = 2 mA/V², Vth = 0.5 V)VGS = 0.3 V이면 차단(식으로는 ID = 0)VGS = 1.0 V, VDS = 0.1 V에서 ID = 90 µA. VDS가 0에 가까울 때의 온 저항은 약 1 kΩVGS = 1.0 V, VDS ≥ 0.5 V에서 ID = 250 µA(λ = 0으로 하여). gm = 1 mS
주요 사용법스위치의 오프. 디지털 회로에서 오프가 된 쪽의 트랜지스터스위치의 온(디지털 회로의 온 쪽, 아날로그 스위치, 도통 중인 파워 MOSFET), 가변 저항증폭 회로, 전류원, 전류 미러 회로
바이폴라 트랜지스터에서 대응하는 영역차단 영역(이름도 같다)포화 영역(스위치의 온)활성 영역(증폭에 사용)
단채널에서의 차이DIBL로 문턱 전압이 낮아지고 오프 전류가 늘어난다이동도의 저하와 기생 저항으로 전류가 식보다 작아진다속도 포화로 낮은 VDS에서 전류가 포화하고, (VGS − Vth)에 대한 의존성이 1제곱에 가까워진다

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

차단 영역
트랜지스터를 끄고 싶을 때의 영역입니다. 디지털 회로에서 오프가 된 쪽의 트랜지스터가 여기에 있으며, 흐르는 것은 서브스레숄드 전류 등의 누설뿐입니다. 문턱 전압을 낮추면 빨라지는 한편 오프 전류가 지수 함수적으로 늘어나므로, 대기 전력과의 균형으로 정합니다.
선형 영역(트라이오드 영역)
스위치로 쓸 때의 온 상태입니다. VDS가 작을수록 저항에 가깝고, 온 저항은 게이트 전압을 높일수록 작아집니다. CMOS의 출력이 안정된 뒤의 온 쪽 트랜지스터, 아날로그 스위치, 전원 회로에서 도통하고 있는 파워 MOSFET 등이 이 영역에서 동작합니다.
포화 영역
증폭 회로나 전류원으로 쓰는 영역입니다. 전류가 VDS와 거의 관계없으므로 출력 저항이 높고, 큰 전압 이득을 얻을 수 있습니다. 증폭 회로에서는 VDS가 VGS − Vth(오버드라이브 전압)를 밑돌지 않도록 동작점을 정하며, 이것이 출력 진폭의 하한이 됩니다.

자주 묻는 질문

MOSFET의 포화와 바이폴라 트랜지스터의 포화는 같은 뜻인가요?

다릅니다. MOSFET의 포화 영역은 채널이 드레인 끝에서 핀치오프되어 드레인 전류가 VDS에 대해 포화하는(거의 일정해지는) 영역으로, 증폭에 씁니다. 바이폴라 트랜지스터의 포화 영역은 두 접합이 모두 순바이어스가 되어 VCE가 0.1~0.3 V 정도까지 내려간 스위치의 온 상태입니다. 기능으로 대응시키면 MOSFET의 포화 영역은 바이폴라의 활성 영역에, 바이폴라의 포화 영역은 MOSFET의 선형 영역에 해당합니다.

선형 영역과 포화 영역의 경계는 어디인가요?

VDS = VGS − Vth입니다. 이때 드레인 끝에서 게이트와 채널 사이의 전압이 정확히 Vth가 되어 채널이 핀치오프됩니다. 장채널 식에서는 선형 영역의 식에 VDS = VGS − Vth를 넣으면 포화 영역의 식 (1/2)μCox(W/L)(VGS − Vth)²과 일치하여, 전류는 경계에서 매끄럽게 이어집니다.

디지털 회로의 트랜지스터는 어느 영역에서 동작하나요?

정상 상태에서는 온인 트랜지스터는 선형 영역(VDS가 거의 0), 오프인 트랜지스터는 차단 영역에 있습니다. 출력이 바뀌는 도중에는 온이 된 트랜지스터가 처음에는 VDS가 크므로 포화 영역에서 부하 용량을 충방전하고, 출력 전압이 바뀌어 감에 따라 선형 영역으로 옮겨 갑니다. 그래서 게이트의 지연은 주로 포화 영역의 전류(구동 전류)로 정해집니다.

pMOS에서는 조건이 어떻게 바뀌나요?

전압과 전류의 방향이 모두 반대가 됩니다. 소스에서 본 게이트 전압 VSG, VSD, 문턱 전압의 크기 |Vth|를 쓰면, VSG < |Vth|에서 차단 영역, VSG > |Vth|이고 VSD < VSG − |Vth|에서 선형 영역, VSD ≥ VSG − |Vth|에서 포화 영역으로 nMOS와 같은 형태로 쓸 수 있습니다. 전류 식도 같은 형태이며, 이동도에는 정공의 값을 씁니다.

이해도 확인

장채널 nMOSFET이 포화 영역에서 동작하는 조건으로 올바른 것은 무엇입니까? (VGS > Vth로 가정)

  1. AVDS = 0
  2. BVDS < VGS − Vth
  3. CVDS ≥ VGS − Vth
정답과 해설 보기

정답: C. VDS ≥ VGS − Vth

VGS > Vth로 채널이 있을 때 VDS ≥ VGS − Vth가 되면, 드레인 끝의 게이트-채널 간 전압이 Vth를 밑돌아 채널이 핀치오프되고, 드레인 전류는 VDS에 거의 의존하지 않게 됩니다. 이것이 포화 영역입니다. 증폭 회로는 이 영역에서 사용하며, 최소한으로 필요한 VDS(= VGS − Vth)가 출력 스윙의 하한이 됩니다. 단채널에서는 속도 포화 때문에 더 낮은 VDS에서 전류가 포화됩니다.

장채널 MOSFET이 포화 영역에서 동작할 때, 드레인 전류 ID는 대략 무엇에 비례합니까? (VGS: 게이트-소스 간 전압, Vth: 문턱 전압)

  1. A(VGS − Vth)의 제곱
  2. BVGS − Vth
  3. CVGS의 역수
정답과 해설 보기

정답: A. (VGS − Vth)의 제곱

장채널 MOSFET의 포화 영역에서는 ID = (1/2)μCox(W/L)(VGS − Vth)²이며, 드레인 전류는 (VGS − Vth)의 제곱에 비례합니다(제곱 법칙). VGS − Vth는 오버드라이브 전압이라 불리며 아날로그 설계의 기본 파라미터입니다. 단채널에서는 속도 포화로 1제곱에 가까워지고, 이동도 열화나 기생 저항의 영향으로 더 어긋나므로, 실제 설계에서는 BSIM 등의 정밀한 모델을 사용합니다.

드레인-소스 간 전압 VDS가 충분히 작은 선형 영역에서 MOSFET의 동작으로 올바른 것은 무엇입니까?

  1. A게이트 전압에 따라 저항값이 바뀌는 가변 저항처럼 동작한다
  2. BVDS와 관계없이 일정한 전류를 흘리는 정전류원처럼 동작한다
  3. C한 방향으로만 전류를 흘리는 다이오드처럼 동작한다
정답과 해설 보기

정답: A. 게이트 전압에 따라 저항값이 바뀌는 가변 저항처럼 동작한다

선형 영역에서는 드레인 전류가 VDS에 거의 비례하고, 그 기울기(컨덕턴스) μCox(W/L)(VGS − Vth)가 게이트 전압에 따라 바뀌므로, 게이트 전압으로 제어할 수 있는 가변 저항처럼 동작합니다. 스위치의 온 상태가 이 영역이며, 온 저항은 게이트 전압을 높일수록 작아집니다. 이 성질은 아날로그 스위치나 가변 이득 회로에도 사용됩니다. VDS가 VGS − Vth를 넘으면 포화 영역이 됩니다.

  1. 포화 영역에 있는 MOSFET에서 드레인 전압을 올리면 유효 채널 길이가 짧아져 드레인 전류가 약간 늘어나는 현상을 무엇이라고 합니까?
  2. MOSFET의 상호 컨덕턴스 gm의 정의로 올바른 것은 무엇입니까?
  3. 바이폴라 트랜지스터를 스위치로 사용할 때 온 상태에 해당하는 동작 영역은?

MOSFET 문제 풀기

주요 용어 설명

문턱 전압
MOSFET에서 채널(반전층)이 형성되어 전류가 흐르기 시작하는 게이트 전압. Vth로 표기한다.
포화 영역
바이폴라 트랜지스터의 베이스-이미터 접합과 베이스-컬렉터 접합이 모두 순바이어스가 된 상태. 컬렉터-이미터 간 전압이 0.1~0.3 V 정도까지 떨어지며 스위치의 온에 해당한다.
차단 영역(Cutoff Region)
바이폴라 트랜지스터의 두 접합이 모두 역바이어스가 되어 컬렉터 전류가 거의 흐르지 않는 상태. 스위치의 오프에 해당한다.
활성 영역(Active Region)
베이스-에미터 간을 순방향, 베이스-콜렉터 간을 역방향으로 바이어스한 상태. 베이스 전류에 비례하는 콜렉터 전류가 흐르며 증폭에 사용한다.
채널 길이 변조
포화 영역의 MOSFET에서 드레인 전압을 올리면 핀치오프점이 소스 쪽으로 이동하여 유효 채널 길이가 짧아지고 드레인 전류가 약간 증가하는 현상. 출력 저항을 유한하게 만든다.
속도 포화(Velocity Saturation)
강한 전계에서 캐리어의 드리프트 속도가 전계에 비례하지 않고 약 1×10⁷ cm/s에서 포화되는 현상. 단채널 MOSFET에서 드레인 전류가 제곱 법칙보다 작아지는 원인이 된다.
상호 컨덕턴스(transconductance)
게이트 전압 변화에 대한 드레인 전류 변화의 비율로 gm으로 쓴다. 트랜지스터의 증폭 능력을 나타내며 증폭 회로의 이득은 대략 gm과 부하 저항의 곱으로 정해진다.
서브스레숄드 스윙(Subthreshold Swing)
문턱 전압 이하에서 드레인 전류를 10배 바꾸는 데 필요한 게이트 전압. 상온에서의 이론적 하한은 약 60 mV/decade이며, 작을수록 온·오프 전환이 급격하다.

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