[Transistor] Transistor, 트렌지스터

1)PN Junction  P에 +, N에 -일 경우 Forward Bias(Majority Carrier Diff Main, 정류작용), 반대일 경우 Reverse Bias(Drift Main=leakage)

Majority Carrier Diff (Enabling)

Minority Carrier Drift (Driving)

 

-Avalanche Breakdown

Reverse Bias가 매우 커질 때 전류가 급격히 흘러 소자가 파괴 (정상 작동이 아님), Band가 급격히 휘면서 큰 자기장이 발생하고,

자기장에 가속된 Minority Carrier 들이 이온화를 발생시키면 이온화 현상이 기하 급수적으로 증가하여 급격한 전류를 만들어 냄.

 

2)BJT(Bipolar Junction Transistor) 반도체 3개를 이어 붙인 전류증폭소자,

BJT는 양극성(Bipolar) 소자로써, 양방향으로 조절이 가능하다. 빠르다.

Current Driving: 전류가 흐르면서 전류가 증폭되는 소자.

Base, Emitter, Collector의 전극을 가지고 있음.

E와 C가 같은 반도체, B는 다른 반도체, PNP와 NPN이 있음

E는 Carrier 공급, B는 전류를 증폭하기위해 전류를 들여 보내주는 곳,

C는 Carrier를 모으는 곳, 즉, E>B>C순으로 도핑

B의 길이가 짧을수록 시간이 단축되고, 재결합도 줄어들어 증폭률이 높아진다.

-BJT의 동작 모드

 

1) Cut Off: EB-역방향, CB-역방향, Switch Off, 누설 전류 가능성 있음. Carrier가 모두 Base 로 들어옴(PNP), 전류 방향이 모두 Base(NPN)

2) Active(활성): EB-순방향, CB-역방향, 증폭기 역할. Ib가 증가하면 Ic도 증가 (제어가 됨), 0.7V 이상의 VBE필요

3) Saturation(포화): EB-순방향, CB-순방향, Switch On(Closed Switch), Ib가 증가해도 Ic큰 변화 없음(모두 Base로 모이기 때문)

VCE가 매우 작음, IC 일정

4) Break Down(역활성, 항복): EB-역방향, CB-순방향, 비정상 기능

 

 

3) FET (Field Effect Transistor): 단극성 소자(Unipolar Device)

Gate에 전압을 인가해서 반도체에 가해지는 전계의 세기를 바꾸어 Source에서 Drain으로 가는 전류를 조절: 전압 제어 소자(Voltage Driving)

1) JFET(Junction-FET)

산화막이 없는 형태로 공핍층(Depletion)영역이 커지면 채널이 좁아지고, 공핍층 영역이 작아지면 채널은 커짐. Channel이 미리 형성.

2) MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

MOSFET의 종류와 동작모드 

Gate가 산화물에 의해 절연되어 Gate에 인가되는 전압에 따라 기판에

채널을 형성 및 조절해 전류를 제어하는 소자. 기생 Cap 관리 필요 (기판, S, D)

기판의 Dopant에 따라 N(3가, N Channel), P(5가, P Channel)로 나뉨.

채널이 미리 형성 되어있으면 공핍형(Depletion, Normally on),

전압에 따라 채널이 형성되고 없어지면 증가형 (Enhanced, Normally off)

Gate: 전압이 인가되는 곳.                              Source: Carrier(Electron, Hole) 공급.

Drain: Source에서 공급된 Carrier를 채널을 통해 받음. Depletion 영역이 더 두꺼움 (S에 비해)

SiO2: Gate 전압에 따라 공급되는 Carrier의 양을 조절함.

(a)차단(Cut Off): , 전류 0

(b)선형(Linear):  전류는 G, D의 영향

(d)포화(Saturation): , 전류는 G의 영향

(d)Pinch Off:  Saturation이후 D 전압이 더욱 커지면서 Depletion영역이 증가하여 Channel이 끊어지는 현상.

전류는 최댓값으로 계속 흐름(Saturation Current). 그 이유는 끊어지기 전 전계가 충분하기 때문.

++ID=WQinvv (W: 채널 폭, Qinv: Carrier 밀도, v: 속도)

 

 

MOSFET의 원리

MOSCAP은 MOSFET에서 Gate 쪽에서 나타나는 일련의 현상을 의미함.

kHz -> GHz 로 속도개선이 이루어 짐. 즉, 고속 스위칭 동작이 가능(diffusion).

MOSCAP의 Band Diagram

이상적인 MOSFET: Metal과 Semiconductor의 일함수(Ф)가 같다.

Energy Band=전자의 전기적 위치 에너지(W)=-qV (전자의 전하량은 음수).따라서 양전압이 가해진 쪽이 에너지 레벨이 내려감.

-NMOS

1) Flat band
G전압이 0, 평형 상태, Fermi Level 동일, Oxide 층 휘어짐 없음

Flat band

                  

 

2) Accumulation(축적)
Metal에 가해지는 전압이 음수이므로 Metal의 에너지 레벨은 올라간다.

->기판 쪽 Majority Carrier인 Hole 축적, VG<0

Accumulation

3) Depletion(공핍)
Metal에 가해지는 전압이 양수이므로 Metal의 에너지 레벨은 내려감. 
->기판에서 Hole을 밀어내 공핍 영역 발생, Channel 없음! Interface에 Carrier 없음!
Cth가 증가하면서 Cox감소, VG>0

Depletion

4) Inversion(반전)
Metal에 가해지는 전압이 더욱 높아져 Metal의 에너지 레벨은 더욱 내려간다. 
-> 기판 쪽 Minority Carrier인 전자가 쌓이면서 Channel 생성됨, VG>0, 문턱전압 기준으로 약, 강반전 구분

 

 

++두 가지 Inversion

-약반전 (Weak Inversion): 기판에 표면층이 생기긴 하지만 Channel의 역할을 수행하기에는 모자란 상태.

즉, 기판에 도핑 된 P형 정공의 농도가 전압에 의해 생긴 N형 전자 농도보다 높기 때문

-강반전 (Strong Inversion): 기판에 충분한 표면층이 생겨 Channel이 생길 수 있을만큼의 전압이 걸린 상태.

즉, 전압에 의해 생긴 N형 전자 농도가 높아짐. 이렇게 Channel이 형성될 수 있도록 해주는 전압을 문턱전압이라 함(Threshold Voltage),

Oxide와 Surface가 접하는 부분의 위치 값을 x=0이라고 둘 때, 이때 전위를 Surface Potential(표면 전위)이라 함

ФS>2ФF (ФS=Vg를 통해 내려온 Metal의 Band Bonding)