동작 영역: 저항이었다가 전류원이 된다
드레인 전압을 올려 두 얼굴을 본다
곡선은 게이트를 켜 둔 채 그린 Id-Vds 특성이다. 드레인 전압이 작을 때는 전류가 비례하듯 곧게 오르지만, 드레인 전압이 오버드라이브에 이르면 곡선이 무릎처럼 꺾여 평평해진다. 왼쪽 선형 구간에서 오른쪽 포화 구간으로 그 무릎을 직접 지나가요.
차단과 선형, 켜진 채널은 저항이다
Vgs가 문턱 아래면 채널이 없어 전류가 0인 차단이다(D1). 채널이 생긴 뒤 드레인 전압을 살짝만 걸면 채널은 소스에서 드레인까지 거의 고르게 이어진 도체 층이고, 그 층에 전압을 걸면 옴의 법칙처럼 Vds에 거의 비례하는 전류가 흐른다. 이때 채널의 저항값은 게이트 전압이 정하니 MOSFET은 전압으로 값을 바꾸는 저항인 셈이에요. 디지털 스위치가 켜졌을 때의 저항이나 아날로그 스위치가 바로 이 영역을 쓴다.
핀치오프, 드레인 쪽 채널이 닫힌다
Vds를 올리면 채널을 따라 소스에서 드레인으로 갈수록 전위가 높아진다. 채널을 여는 힘은 게이트와 채널 사이의 전압인데, 드레인 가까이서는 채널 전위가 높아 이 값이 점점 줄어든다. Vds가 오버드라이브 Vov = Vgs - Vth에 이르면 드레인 끝에서 게이트-채널 전압이 정확히 문턱까지 떨어져 그곳의 채널 두께가 0이 된다. 채널이 드레인에 더는 닿지 못하는 이 상태가 핀치오프예요.
포화, 전류가 평평해진다
핀치오프를 넘어 Vds를 더 올려도 핀치 지점이 살짝 안으로 옮겨 갈 뿐 채널이 실어 나르는 전류는 거의 그대로다. 그래서 전류가 평평해지는 포화 영역이 되고, 이때 전류의 크기는 Vds가 아니라 오버드라이브가 정하며 제곱법칙 Id ≈ (1/2) k Vov²을 따른다. 실제 소자에서는 핀치 지점이 옮겨 가는 만큼 채널이 짧아져 포화 구간도 조금씩 위로 기운다. MOSFET이 Vgs로 제어되는 전류원처럼 행동하는 이 영역이 BJT의 활성 영역에 해당하는 증폭의 자리예요.
첫 화면으로 돌아가서
드레인 전압이 낮을 때 곡선은 곧게 올라갔고, 그 구간에서 MOSFET은 게이트로 값을 정하는 저항이었다. 드레인 전압을 오버드라이브까지 올리자 곡선이 무릎에서 꺾였는데, 그것은 드레인 쪽 채널 끝이 핀치오프된 순간이었다. 그 위로는 전압을 더 걸어도 전류가 거의 그대로인 평평한 포화였고, 거기서 MOSFET은 Vgs로 크기를 정하는 전류원이 되었어요. 한 소자가 켜진 채로도 저항과 전류원이라는 두 얼굴을 갖고, 그 경계는 드레인 전압이 오버드라이브에 닿느냐로 갈린다.
이어지는 흐름
포화 영역에서 MOSFET은 Vgs로 제어되는 전류원이었다. 다음 유닛에서는 BJT 때처럼 그 동작점 둘레의 작은 흔들림만 떼어 내 선형화한다. 작은 게이트 전압이 만드는 작은 드레인 전류, 그 비례 상수가 MOSFET의 트랜스컨덕턴스 gm이고, 증폭으로 가는 같은 길을 MOSFET으로 다시 걸어요.