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 항목 | 차단 영역 | 선형 영역(트라이오드 영역) | 포화 영역 |
|---|---|---|---|
| 조건(nMOS) | VGS < Vth | VGS > Vth이고 VDS < VGS − Vth | VGS > Vth이고 VDS ≥ VGS − Vth |
| 채널의 상태 | 반전층이 생기지 않는다(약한 반전뿐) | 소스에서 드레인까지 반전층이 이어진다 | 드레인 끝에서 반전층이 사라진다(핀치오프) |
| 드레인 전류 식(장채널) | ID ≈ 0. 실제로는 서브스레숄드 전류가 VGS에 따라 지수 함수적으로 늘어난다 | ID = 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 거동 | 오프. 서브스레숄드 스윙의 하한은 실온에서 이론상 약 60 mV/decade | VDS가 작으면 ID는 VDS에 거의 비례하고, VDS가 커질수록 기울기가 작아진다 | ID는 VDS와 거의 관계없고, (VGS − Vth)의 제곱에 비례한다 |
| 소신호에서 보이는 모습 | 거의 개방 | VDS가 작을 때 온 저항 Ron ≈ 1/[μCox(W/L)(VGS − Vth)]의 저항 | 상호 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 kΩ | VGS = 1.0 V, VDS ≥ 0.5 V에서 ID = 250 µA(λ = 0으로 하여). gm = 1 mS |
| 주요 사용법 | 스위치의 오프. 디지털 회로에서 오프가 된 쪽의 트랜지스터 | 스위치의 온(디지털 회로의 온 쪽, 아날로그 스위치, 도통 중인 파워 MOSFET), 가변 저항 | 증폭 회로, 전류원, 전류 미러 회로 |
| 바이폴라 트랜지스터에서 대응하는 영역 | 차단 영역(이름도 같다) | 포화 영역(스위치의 온) | 활성 영역(증폭에 사용) |
| 단채널에서의 차이 | DIBL로 문턱 전압이 낮아지고 오프 전류가 늘어난다 | 이동도의 저하와 기생 저항으로 전류가 식보다 작아진다 | 속도 포화로 낮은 VDS에서 전류가 포화하고, (VGS − Vth)에 대한 의존성이 1제곱에 가까워진다 |
수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.