8. 접합형 전계효과 트랜지스터 ( JFET )의 전달특성
전달특성( transfer characteristic, 傳達特性 )은 입력전압, 즉 JFET의 게이트-소스간 전압( VGS )에 따라 출력측의 드레인 전류( ID )가 어떻게 변하는지 측정하는 것이다. 앞에 관찰 했던 JFET의 출력특성( output characteristic )을 가지고 전달특성( transfer characteristic )을 손쉽게 그래프로 그려 낼 수 있다.
Vishay 社의 2N4391의 출력특성 ( VDS-ID ) 그래프에서 y축 드레인 전류는 그대로 놔두고 x축으로 설정했던 드레인-소스 간 전압( VDS )을 게이트-소스간 전압( VGS )으로 바꾸어 주기만 하면 간단하게 그래프를 그려 낼 수 있다. 달리 측정해서 그릴 필요가 전혀 없다. 기존의 출력특성 그래프에서 전달특성 그래프를 그리는 방법은 매우 간단하다. 한가지 주의할 점은 포화영역 내에서 반드시 그래프를 그려내야 한다는 것이다. 왜냐하면 포화영역에서 JFET 는 증폭동작을 하기 때문이다.
핀치오프 전압을 좀 벗어난 점을 예로 들어 보자. 드레인-소스 간 전압( VDS )을 포화상태인 5V로 잡아 준다. 이를 수직으로 가상 선을 상상하면 게이트-소스간 전압( VGS )의 특정의 전압들 ( 위의 그래프에서는 VGS가 0V, -0.5V, -1V, -1.5V, -2V, -2.5V의 점들 )과 교차하는 점들이 존재하고, 이 점에서 수평의 y축으로 들여다 보면 드레인 전류 ( ID )값을 취할 수 있다.
그래프의 y축인 드레인 전류 ( ID )는 그대로 두고, x 축을 드레인-소스 간 전압( VDS )에서 게이트-소스간 전압( VGS )으로 바꿔치기 해 준다.
먼저 그래프를 그리기 쉽게 게이트-소스간 전압( VGS )에 따른 드레인 전류 ( ID )를 Vishay 社의 2N4391의 출력특성 ( VDS-ID ) 그래프의 VDS=5V 에서의 값을 표로 일일이 적어 본다.
표의 값 그대로 그래프를 그린다. 입력전압에 의해 출력전류가 제어되는 관계로 독립변수( x )는 게이트-소스간 전압( VGS )이 되고, 종속변수 ( y )는 드레인 전류 ( ID )로 탑재 되는 것이다. 후에 이 그래프를 가지고 수학적인 조작이 자행 되는데 필요한 핵심을 짚어 내기 위한 조치이니 감내해야 한다.
이 그래프가 포화상태에 있어서의 VGS-ID 간의 특성 그래프, 전달 특성 그래프가 되겠다. 많이 접해 본 그래프이다. 이미 핀치오프를 일으키는 전압이 드레인 전류가 포화상태가 막 될 그 때에, 그리고 드레인 전류가 차단된 상태가 되는 바로 그 지점을 가리켜 공히 쓰인다고 말했다. 촛점은 드레인 전류의 동작이 아니라 공핍층이 어떠한가가 중요하다고 역설 했다. 이 전압으로 JFET의 구조내에서 드레인 쪽이나, 소스쪽에 공핍층에 의해 채널이 막히는 현상을 일으키기 때문에 다른 상황에서 동일하게 사용하는 용어 라고 한 바 있다. 지나가는 길에 비교한 것을 흘깃 보고 건너가기로 한다.
N 채널 JFET에서는 게이트-소스간 전압( VGS )이 0V일 때, 드레인-소스 간 전압( VDS )을 포화영역에 설정 하면 가장 큰 드레인과 소스간의 전류 ( ID )가 흐르는 것을 알 수 있다. 왜냐하면 N 채널 JFET 특성상 공핍층이 가장 작을 때는 게이트-소스간 전압( VGS ) 은 0V 일 때이기 때문이다.
이 때 흐르는 드레인 전류를 가리켜서 포화 드레인 전류 ( Saturation Drain Current ) IDSS 라고 부른다. 이 값은 JFET 규격표에 있어 확인 가능하다. 핀치오프 전압은 게이트-소스 차단전압( Gate-Source Cutoff Voltage )으로 규격표에 나와 있다. 아래는 Vishay 社의 데이터시트를 참고 했다. 2N4391를 보면 최대값( Max )과 최소값( Min ) 사이의 편차가 크다는 것을 알 수 있다.
수학적으로 접근하는 드레인과 소스간 전류 ( ID )의 근사식( Shockley’s equation, 쇼클리 방정식 )으로 넘어가기 전에 출력특성과 전달특성을 색다르게 설명하는 자료를 이해하고 진도를 나가기로 한다.
VDS-ID 특성곡선을 눈으로 보기에 오른쪽에 그려 넣었고, 포화상태에서의 VGS-ID 특성쪽선을 왼쪽에 배치된 위의 그림을 많이 접해 보았을 것이다.
가장 오른쪽에 게이트-소스간 전압( VGS )을 얄궂게 써 놓았다. 그냥 값을 집어 넣어도 되는데 일반성을 가진 표현을 하다 보니 낯선 표현이 되어 버린 것이다.
위에서부터 각각 VGS0 = 0, VGS1 < VGS0 , VGS2 < VGS1 , VGS3 < VGS2 , VGS4 < VP 게이트-소스간 전압( VGS )은 VDS-ID 특성곡선에서 보듯이 포화 드레인 전류 ( Saturation Drain Current )일 때 가장 높았는데, 이 때가 0V 였다.
따라서 아래로 갈 수록 음 전압값이 점점 커지는데, 표시된 표현법을 빌리자면 VGS1 < VGS0 는 VGS0 = 0 이기 때문에 이 보다 적은 값을 가질 수 밖에 없는 것은 당연지사다. 이것을 부등호로 일반화 시켜 표현한 것이다. 또한 마지막에 VGS4 < VP 핀치오프 전압값 보다 게이트-소스간 전압( VGS )이 작으면 당연히 전류가 흐르지 않는 차단영역이 된다.
두 번째는 각각의 게이트-소스간 전압( VGS ), 위에서는 VGS0 , VGS1 , VGS2 , VGS3 , VGS4 상에서 드레인-소스 간 전압( VDS )의 핀치 오프 전압을 각각 점선으로 연결한 것을 식으로 정리한 것이 보인다.
또는, 자료에 따라서 아래와 같이 절대값 기호를 써서 표현 하기도 한다. 동일한 식이다.
Vishay 社의 2N4391의 실제적인 값을 가지고 이해 해 본다.
2N4391의 핀치오픈 전압값은 VP=-4V 였다. 그렇다면 게이트-소스간 전압( VGS )이 0V 일 때의 핀치오프 전압 즉, 드레인-소스 간 전압( VDS ) 은 VDS=0V-(-4V )=4V 가 되는 것이다. 여기서 핀치오프 전압이 부호만 다르고 값이 동일하다는 것을 확인할 수 있다. 그래서 핀치오프의 전압을 부호를 생략하고 싶을 때 절대값을 취해 주는 것이다.
하나 더 해 보자.
게이트-소스간 전압( VGS )이 -1V 일 때 는 VDS=-1V-(-4V )=3V 가 된다. 이렇게 각각의 게이트-소스간 전압( VGS )에서 드레인-소스 간 전압( VDS )의 핀치오프 전압을 찾을 수 있고, 이를 연결한 것이 위의 그림에서 점선이 되는 것이다.
절대값으로 표현된 식은 부호에 상관이 없으니 위의 예들을 바로 구할 수가 있다. VDS=4V-0V=4V, 그리고 VDS=4V-1V=3V.
재미 있는 점은 전달특성의 그래프에서 +방향으로 핀치오프 전압을 더해주어 이동시키면 출력특성에서 점선으로 보여지던 핀치오프 자리들과 일치함을 확인할 수 있다. x축이 성격으로 말하자면 같은 전압은 아니지만 드레인 포화전류를 구하는 식으로 따져 주면 평행이동 가능하다는 것을 말해둔다.
