MOSFET Current Voltage Characteristics   MOSFET 전류 전압 특성

1. MOSFET 전류 - 전압 특성

     


2. MOSFET 동작영역별 전류 전압 관계식

  ㅇ 차단 영역 (Cutoff)
     -  {# v_{GS} \leq V_T #}
     -  {# i_D = 0 #}

  ㅇ 트라이오드 영역 (Triode), 선형 영역 
     -  {# v_{GS} \geq V_T, \quad v_{DS} \leq v_{GS} - V_T #}
     -  
[# i_D = \frac{1}{2}μ_n C_{ox}\frac{W}{L} \left[ 2(v_{GS}-V_T)v_{DS}-v_{DS}^2 \right] #]

  ㅇ 포화 영역 (Saturation)
     -  {# v_{GS} \geq V_T, \quad v_{DS} \geq v_{GS} - V_T #}
        . (핀치 오프에서, {# v_{DS}=v_{DS,Sat}=v_{GS} - V_T#})
     -  
[# i_D = \frac{1}{2}μ_n C_{ox}\frac{W}{L} (v_{GS}-V_T)^2 #]

     - 한편, 채널길이변조 효과 ({# v_{DS} > v_{GS} - V_T#})
        
[# i_D = \frac{1}{2}μ_n C_{ox}\frac{W}{L} (v_{GS}-V_T)^2 (1+λv_{DS}) #]
        . λ : 채널길이변조 계수 (얼리효과 반영) 


3. MOSFET 전류 전압 관계에 대한 기본 가정  :  (Shichman-Hodges 모델, 기본적인 MOSFET I-V 모델)

  ㅇ 전도채널로 만 전류가 흐름
     - 소스,드레인 간의 전도채널로 만 전류가 흐르며, 
     - 기판,게이트로는 전류 흐름 없음

  ㅇ 전도채널 내 전류 형성 메커니즘  :  표동(Drift) 전류 우세
     - 전도채널 내 전류는,
     - 소스,드레인 간 전압차/전계로 인한, 표동(Drift) 현상이 주도적임

  ㅇ 전도채널 내 이동도(μ)의 일정성 가정
     - 채널 내 전하캐리어(전자,정공)의 이동도(μ)는 일정하다고 가정
     - 실제로, 속도 포화 (전계 ↑ => 이동도 ↓) 현상이 있지만, 이는 기본 모델에서는 무시

  ㅇ 경사형 채널 근사 (Gradual Channel Approximation, GCA)
     - 전도채널에 대한 근사 모형으로써, 전계가 채널 길이에 따라 완만하다고 봄
        . 채널 내 전압 변화의 점진성 : 전도채널 내 전압이 급격하게 변하지 않고,
           .. 매우 천천히 점진적으로 변화한다고 가정
           .. 채널 내 전기장이 주로 채널 길이 방향(y축)으로 작용하며, 
           .. 채널 깊이 방향(x축)의 전기장은 상대적으로 작다고 간주함
        . 따라서, 2차원 문제를 단순화하여 1차원 모델로 근사할 수 있음.
        . 특히, 이 근사는 채널 길이가 길 때, 더욱 유효

  ㅇ 산화막 - 반도체 계면 전하  :  등가 전하밀도(Qinv)로써 모델링
     - 이는 게이트 전압에 따라 유도된 반전층의 전하로써, 아래와 같이 근사됨
        . {#Q_{inv}(x) = - C_{ox}(V_{GS} - V_{th} - V(x)) #}
           .. {#C_{ox}#} : 산화막 단위 면적당 정전용량
           .. {#V(x)#} : 채널 내 위치 x에서의 전위
     - 이 전하 밀도는 채널 전류 계산의 구성요소임

  ※ 포화영역,선형영역의 전류 전압 관계식 모두 이 가정들에서 유도되며,
     - 이 모델은, 1차 근사에 기반한 아날로그 회로 해석 및 설계에 폭넓게 사용됨