4. 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터 ( MOSFET : Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ) Depletion 형의 물리적 구조와 회로기호 이해하기

MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor )은 풀어쓰면 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터로 길지만 모스펫이라고 줄여 말한다. 영단어의 머리글자를 따온 것이다. 모스펫은 구조상 두 가지로 분류한다. Depletion ( 감소, 공핍 ) 형과 Enhancement ( 증가)형으로 나뉜다.먼저  Depletion ( 감소, 공핍 ) 형의 물리적 구조와 회로기호를 살펴 본다.

 

 

게이트( Gate ) 구조를 눈여겨 보면 Metal ( 금속 ) - Oxide ( 산화막, 절연체 ) - Semiconductor ( 반도체 )의 순서로 적층되어 있고 게이트( Gate )의 구조를 곧이 곧대로 명칭에 옮겨 적은 것이다. 그렇기 때문에 게이트( Gate ) 단자는 반도체 본체와는 완전히 절연되어 있다. 나중에 보게 되겠지만 FET의 장점 중 하나인 전압만으로 트랜지스터를 동작 시킬 수 있게 된다. 전압만으로 트랜지스터를 동작 시킬 수 있다는 말을 다른 말로 변역시키면, 게이트( Gate ) 단자에 전류가 흘러 들어 가거나 흘러 나오지 않는다는 말이 되고, 다시 이 말은 게이트 단자 측에서 트랜지스터를 볼 때 저항이 어마어마 하게 크다는 것( 좀 과장해서 ∞ Ω  )을 알아 차리면 질이 좋은 사유가 된다. 이런 특성이 회로 설계를 할 때 아주 좋은 결과들을 가져다 주는 것은 후술하기로 한다.

회로기호는 채널을 중심으로 보고, 다이오드 구조를 생각하라고 강조해 주었다. N 채널 MOSFET에서 그런 착상을 염두에 두면, N 채널 이기 때문에 소자본체와의 관계에서 PN 접합 다이오드로 전환시켜 생각할 수 있다. 때문에 화살표 끝머리 방향은 게이트( Gate ) 쪽으로 향하게 된다. P 채널은 그 반대. 여하튼 FET는 회로 기호에서 화살표 머리쪽을 N형이라고 우겨도 상관없다.

표 안에 그려진 회로기호에서 기판 ( Substrate )과 소스 ( Source )와는 연결 되어 있는 것처럼 그려 있는데, 보통 회로를 구성할 때 소스와 기판을 묶어 주거나, 또는 묶어서 그라운드에 합쳐주기 때문에 연결되어 있다고 보면 된다.   

​​JFET의 회로기호에 비해 Depletion MOSFET는 좀 더 특징적인 모양이 보인다.

 

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 Depletion MOSFET은 게이트와 본체사이가 완전히 절연 되어 있기 때문에 회로기호에서 보는 바와 같이 게이트를 띄어 놓음으로 해서 이를 잘 표현해 주고 있다. 드레인과 소스 사이에는 연속적인 수직선이 있는 것으로 보아 분명히 채널이 형성 되어 있을 것이고, 화살표 머리가 드레인과 소스 사이를 연결한 채널로 향하기 때문에 지금까지 설명으로 미루어 보아 N 채널 MOSFET가 분명한 회로기호이다.

아래 그림은 역시 Depletion MOSFET 에도 변종 회로기호가 존재한다는 것을 보여준다. 이래서 어떤 회로기호가 원본이냐로 논쟁하는 것도 볼 수 있다. 여한튼 국제전기기술위원회 ( IEC :International Electronical Commission )에서 표준을 정하는데, 'IEC 60617' 에서 나오는 회로기호가 기준이 될 것이다.

 

 

IEC 60617 회로기호를 보면 Enhancement MOSFET에는 본체( Substrate )가 내부에서 소스와 연결된 것과 소스와 연결 되지 않고 본체밖으로 나온 것을 제시한 것을 보면, Depletion MOSFET도 본체가 소스와 연결 된 것과 소스와 연결 되지 않고 밖으로 나온 것 두 가지는 변형으로 볼 수 없고, 규준으로 볼 수 있을 것 같다. 실제 그렇게 확인해 주는 책자 ( Graphic Symbol for Electrical and Electronics Diagram, IEEE, p58 참조 )도 있다.

 

 

또 하나 회로기호에서 주의 깊게 살펴 보아야 하는 부분은 소스와 드레인 사이에 N형 MOS FET면 N형 불순물로 채널을 형성시켜 주었고, P형 MOS FET면 P형 불순물로 채널을 형성시켜 주어서, 드레인과 소스사이에 전압만 인가해 주면 언제든지 전류가 흐를 수 있는 구조를 갖게 된다. 동작은 JFET와 비슷하다.

이런 구조적인 설명의 일관성으로 보자면 JFET도 이미 채널을 형성시켜 놓았다고 충분히 우길 수 있으므로, 트랜지스터 분류표에 JFET를 별도로 Depletion 형이라고 명시한다.

반도체 공정에서 이미 제작된 ( N or P )채널이 형성되다면 전류가 흐를 수 있는 기반이 닦여 있어 Depletion 형이라고 판단한다. 그런데 왜 이런 형태를 Depletion형이라고 칭 하였을까? 이러 질문이 모스펫을 설명하기 전에 가졌던 문제의식이었다. 문제의 끈을 놓지 않기 위해 한번도 문제를 드러낸 것이다. 그 의미는 Enhancement 형 MOS FET를 마저 살펴보고 난 후에 정리해 주기로 한다.