MOSFET 구조와 문턱: 전압이 채널을 연다
게이트 전압을 올려 채널을 연다
맨 위가 게이트이고 그 아래 얇은 띠가 절연 산화막, 그 아래가 p형 몸체이며 양옆에 소스와 드레인이 있다. 게이트 전압을 올리면 문턱 Vth 아래에서는 표면에 아무것도 없지만, 그 위로 올라가면 전자가 표면에 모여 소스와 드레인을 잇는 금색 채널이 생긴다. 채널이 처음 나타나는 전압을 찾아요.
절연된 게이트, 전류가 아니라 전계
MOSFET의 게이트는 얇은 산화막 절연층 위에 얹혀 있다. 절연막이 가로막고 있어 게이트로는 직류 전류가 사실상 흐르지 않는데, BJT가 베이스에 전류를 흘려야 동작했던 것과 정반대다. 게이트는 전류 대신 전계로 일한다. 전류가 거의 들어가지 않으니 입력 임피던스가 매우 커서 신호원에 거의 부담을 주지 않아요.
문턱을 넘으면 채널이 생긴다
게이트 아래의 몸체는 p형이라 표면에 전자가 거의 없다. 게이트에 양의 전압을 걸면 그 전계가 정공을 밀어내고 소수 캐리어인 전자를 표면으로 끌어당긴다. 전압이 낮으면 끌려오는 전자가 너무 적지만 어느 문턱을 넘으면 표면에 전자가 충분히 모여 얇은 n형 층, 곧 반전층이 생긴다. 이 층이 양쪽의 n형 소스와 드레인을 잇는 채널이 되면서 비로소 전류가 흐를 길이 열려요.
문턱 전압 Vth와 오버드라이브
채널이 막 생기기 시작하는 게이트 전압이 문턱 전압 Vth다. 그 값은 산화막의 두께, 몸체의 도핑, 재료가 정한다. Vgs가 Vth를 넘은 만큼, 곧 오버드라이브 Vgs - Vth가 클수록 더 많은 전자가 끌려와 채널이 두꺼워지고 더 큰 전류를 감당한다. 전류를 거의 먹지 않는 절연 게이트에 전압만 걸어 채널을 여닫는 이 스위치가 디지털 칩과 전력 변환을 떠받치고 있다.
첫 화면으로 돌아가서
게이트 전압이 문턱 아래일 때 표면은 텅 비어 소스와 드레인이 끊겨 있었다. 전압을 올려 문턱을 넘기는 순간 전자가 표면으로 끌려와 금색 채널이 두 n형 영역을 이었다. 그 길을 연 것은 게이트로 흘러든 전류가 아니라 절연막 너머에서 작용한 게이트의 전계였어요. 문턱은 채널이 막 생기는 경계이고, 그 위로 더 올린 오버드라이브가 채널을 두껍게 한다. 전류를 거의 먹지 않고 전압만으로 흐름을 여닫는 이 스위치가 MOSFET의 출발점이다.
이어지는 흐름
문턱을 넘겨 채널을 열었다. 그러나 채널이 생긴 뒤 실제로 얼마나 흐르는지는 드레인 전압에도 달려 있다. 다음 유닛에서는 드레인 전압을 올려 가며 동작이 어떻게 갈리는지 본다. 채널이 저항처럼 행동하는 선형 영역과, 채널 끝이 좁아져 전류가 더는 늘지 않는 포화 영역이에요.