BJT (흔히 말하는 트랜지스터)는 베이스 전류의 양을 조절하여 컬렉터와 이미터 사이에 흐르는 전류의 양을 제어 하였다. 이에 반하여 FET(Field Effect Transistor, 전계 효과 트랜지스터)는 게이트 전극에 인가하는 전압에 의해 드레인과 소스 사이의 전류를 제어하는 능동소자이고, BJT와 마찬가지로 전류 증폭과 스위칭 용도로 사용된다.
MOSFET는 구조에 따라 N채널과 P채널로 구분된다. 줄여서 NMOS,PMOS라고 한다.
1. BJT vs MOSFET
FET중에서도 MOSFET은 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터로 불리며, 디지털 회로와 아날로그 회로에서 가장 많이 쓰이는 FET라고 할 수있다.
특히, MOSFET은 게이트 전압으로 전류의 흐름을 제어하기 때문에, BJT 처럼 베이스 전류의 전력 소모가 없어 스위칭 동작에 효율이 매우 크다.
[* 스위칭 소자의 선택 팁]
- 100mA 이하의 작은 용량의 경우 MOSFET의 사용을 고려하고, 그 이상인 경우에는 BJT를 고려한다.
- 500mA 이상은 달링톤 트랜지스터 또는 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)의 사용을 고려한다.
2. N-MOSFET (NMOS)
N채널 MOSFET은 드레인과 소스가 N형 반도체로 구성되고, 중간에 일부분은 P형 반도체로 되어 있다.
소스(Source)와 드레인(Drain) 사이에는 PN접합이 형성 되고 이를 바디 다이오드또는 기생 다이오드라고 한다.
제어 입력단자인 게이트(Gate) 단자는 산화막 유전체로 구분되어 있어 전류가 직접적으로 흐르지 않기 때문에 입력 임피던스가 거의 무한대이다. (저항 성분이 무한대, 출력 임피던스를 작게 잡는 이유가 이런 의미 때문이다.)
N채널 MOSFET은 게이트 단자에 소스 전압보다 일정 전압 (문턱 전압, Threshold Voltage) 이상을 인가하면 ,P형 반도체 내의 전자들이 인력으로 인해 게이트 유전체 근처로 모여들어 전류가 흐를 수 있는 길을 만들어준다.
이를 N형 통로(채널)이라 하고 드레인과 소스 사이에 전류가 흐르기 시작한다.
3. P-MOSFET (PMOS)
P채널 MOSFET은 게이트에 소스 전압보다 일정 전압(문턱 전압, Threshold Voltage) 이하를 가하면 정공들에 의해 P형 통로(채널)가 활성화되면서 P형 반도체의 정공이 캐리어가 되어 소스와 드레인 사이에 전류가 흐른다.
드레인과 소스사이에는 PN접합 바디 다이오드가 형성된다. NMOS와 방향이 반대인 것을 주목하자.
4. 공핍형 vs 증가형
NMOS와 PMOS의 구분이 아니라, MOSFET 제조 과정에서 통로(채널)가 이미 형성되어 만들어지는가 아닌가의 차이로 공핍형과 증가형으로 구분할 수 있다.
게이트에 HIGH/LOW 전압을 인가하지 않고 플로팅으로 열어 두었을 때, 기본적으로 ON이 되어있는가 OFF 되어 있는가를 의미한다.
공핍형 (Depletion) MOSFET은 제조 과정에서 채널이 만들어져 나오므로, 게이트에 전압이 없더라도 기본값으로 ON (드레인과 소스가 도통)되어 있다.
반면 증가형(Enhancement) MOSFET은 게이트의 전압이 없으면 기본값이 OFF 이며 게이트 전압을 제어해야만 ON 상태로 된다. (보통은 증가형을 사용한다. 게이트전압을 제어해야만 ON상태가 된다.)
5. 동작영역 ( 증가형 NMOS 기준)
BJT와 마찬가지로 3 가지의 동작 영역으로 구분 할 수 있다.
전류의 흐름을 차단하는 차단 영역(Cutoff), I D전류를 V GS 전압에 의해 증폭하는 포화 영역 (Saturation), V DS 전압 크기에 비례하여 I D전류가 증가하는 스위칭 역할에 사용되는 선형 영역(Linear)이 있다.
스위칭 용도로 사용할 경우 BJT에서는 V CE가 가장 작은 포화 영역을 사용하지만, MOSFET는 R DS 저항이 가장 작아 전력 손실이 작은 선형 영역이 스위칭 동작으로 사용된다.
문턱 전압 (Threshold Voltage) V TH는 MOSFET을 ON 시키기 위한 V GS 즉, 게이트와 소스 단자의 전압 차이를 의미한다. NMOS 에서는 게이트 단자의 전압이 소스 단자의 전압보다 V TH 이상 커야 도통된다. ( V GS > V TH )
V TH는 차이가 있으므로 데이터 시트를 참조하도록 한다.
MOSFET이 ON 되었을때, 드레인과 소스 사이에 생성되는 저항 성분을 R DS 또는 R ON이라고 표기한다. 이 저항 성분이 작을수록 손실 전력은 작아진다. (저항은 전력을 소모하는 수동소자!)
6. 설계 시 고려해야 할 사항
- 최대 허용 드레인 전류 : 최대 사용 전류를 확인
- 임계전압(V TH) 확인 : MCU의 GPIO 제어 전압으로 구동이 가능한가?
- 항복전압(Breakdown Voltage) : 최대 걸릴 수 있는 전압에 충분한 여유가 있는가?
- 누설 전류(Leakage Current) : 차단 영역에서의 누설 전류가 회로에 영향을 주지는 않는가?
- R DS 저항 : 낮을 수록 전력 소비가 없다.
- 기타사항 : 스위칭 타이밍, 사용 온도
7. 데이터시트 분석
https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=1477
IRFZ44NPBF
HEXFET, N채널, Vd = 55V, Rds = 17.5mΩ, Id = 49A, TO-220패키지
www.devicemart.co.kr
디바이스마트에서 판매되고 있는 N-MOSFET IRFZ44NPBF의 데이터시트를 한번 분석해보겠다.
DIP 패키지형태라 회로 테스트에 적합한 것 같다. 데이터시트는 위의 판매 페이지에서 바로 다운받아 볼 수 있다.
- 우선 일반적인 증가형 NMOS의 형태를 띄고 있다.
- 17.5m옴의 R DS 저항을 가지고 있다. 과연 저전력 소자라 할 수 있다.
- I D 드레인 전류는 최대 49A이며 온도가 100도 일때는 35A로 낮아지는 현상을 볼 수 있다.
- 소모할 수 있는 전력은 최대 94W
- V GS (게이트-소스 전위차)는 최대 20V 를 넘기면 안된다.
- I AR은 애벌런치 전류 (항복 현상)을 의미한다.
- V DSS는 드레인-소스 사이에 인가될 수 있는 전압을 의미한다. 드레인과 소스 사이에 55V가 평균적이라고 명시되어있다.
- V GS는 게이트 문턱 전압을 의미하고 2~4V로 ON/OFF하는 것을 알 수있다.
- I DSS , I GSS는 누설 전류를 의미한다. OFF 상태에서 전류가 완전히 차단되지 못하고 흐를 수 있는 전류를 의미한다.
- R DS 저항은 MOSFET이 ON 되었을 때, 드레인과 소스 사이에 생성되는 저항성분을 의미한다. 17.5 메가 옴인데 전력손실이 거의 없다. R DS 저항은 온도가 올라갈 수록 커지는 경향이 있기도 하다. R DS 는 전력 손실 뿐만아니라 기생 커패시턴스로 인하여 스위칭 속도가 낮아질 수 있다는 점에 대해 고려해야한다.
- 기생 커패시턴스는 C로 표기되어있는 밸류에서 확인해 볼수 있다. 입력, 출력 커패시턴스와 역전달 커패시터를 나타내고 있다.
'Embedded System > 전자회로 (PCB)' 카테고리의 다른 글
| [OPAMP] 연산증폭기 특성 분석 (0) | 2023.10.13 |
|---|---|
| 이상적인 전압원 ( feat 입출력 임피던스 ) (0) | 2023.09.01 |
| [반도체] BJT (바이폴라 정션 트랜지스터) (0) | 2023.08.29 |
| [반도체] 다이오드 (0) | 2023.08.29 |
| [L] 인덕턴스 / 인덕터 정리 (0) | 2023.08.21 |
