쉬워 보여도 대부분 놓치고 지나가는 MOSFET 중요 특성

들어보면 이해는 가지만 정작 설명해보라 하면 못하는 MOSFET 의 중요 특성에 대해 글을 작성하려고 합니다. 이걸 이해하고 공부해야 장기적으로 전자 회로 이론을 기억 할 수 있습니다. 

MOSFET 을 공부하면서, AMP, PLL, ADC 등 복잡한 회로를 만들 떄 MOSFET 을 왜 사용하는지 모르는 것은 말이 안되겠죠. 즉, MOSFET 의 존재 이유에 대해 알아보겠습니다.

 

 

먼저, 옴의 법칙을 생각해봅시다. V = IR 이며 여기서 저항은 I 를 V 로 바꿔주는 소자라고 볼 수 있습니다. 즉, Current to voltage converter 라고 볼 수 있습니다. 

 

 

같은 방식으로 MOSFET 은 Voltage to current converter 입니다. 따라서 gm 이라는 파라미터를 사용하는 이유랑 일맥상통하는 얘기이지요. 

 

 

그 다음으로는 Ideal 한 Voltage source와 Current source 를 생각해봅시다. 이 두가지를 I/V 특성 그래프에서 나타내면, 다음과 같습니다. 

 

 

 

왜 위와 같은 그래프 특성을 보일까요? 간단합니다. Voltage source 의 경우에는 무슨 일이 있어도 양단에 일정한 전압 값을 만들어주는게 역할입니다. 따라서 V=Vs 라는 그래프 특성을 보이는 것이지요. 여기서 어떤 크기의 전류가 흐르던지 Voltage source 는 상관할 바가 아닙니다. 반대로 Current source 도 이런 식으로 생각해보면, 왜 왼쪽 그래프처럼 그려지는지 쉽게 알 수 있을 겁니다. 

 

 

다음으로 여기서 또 한가지 확인 할 수 있는 것은 기울기의 값입니다. I/V 그래프에서의 기울기는 1/R 입니다. Voltage source 그래프에서의 기울기는 무한대이고, 즉 R 값은 0 이라는 얘기입니다. Current source 그래프에서의 기울기는 0이고, 여기서 R 값은 무한대라는 얘기이지요. 따라서, Voltage source 를 바라봤을 때의 들여다 보이는 저항 값은 0이고, Current source 를 바라봤을 때의 들여다 보이는 저항 값은 무한대입니다. Ideal 한 source 라는 가정하에서 얘기입니다.  

 

 

이 얘기를 한 이유는 어떠한 소자를 활용하여 Voltage source 를 만들고 싶으면 위에서 왼쪽 그래프의 경향을 보이게끔 사용하면 되는 것이고, Current source 를 만들고 싶으면 위에서 오른쪽 그래프의 경향을 가지게끔 설계하여 사용하면 됩니다. 아까 말했듯이 MOSFET 은 Voltage controlled Current source 입니다. 따라서, 오른쪽의 그래프를 MOSFET 의 ID/VDS 그래프와 관련지어 생각하시면 됩니다. ID/VGS 그래프가 아닙니다. 

 

 

 

 

하지만 실제로는 Ideal 한 경우와 동일하게 MOSFET 을 만들 수 없기 때문에, linear 영역, saturation 영역, cut-off 영역으로 나뉘어지게 됩니다. 

 

 

여기서 파생되어 또 한가지 체크 할 수 있는게 있겠네요. 아까 위에서 Current source 를 들여다 봤을 떄의 저항은 무한대 라고 했습니다. 그럼 MOSFET 의 Drain 에서 MOSFET을 바라보는 저항 또한 무한대에 가까워야겠지요? Channel length modulation 만 없다면 Drain 에서 MOSFET 을 바라보았을 때의 저항은 무한대가 맞습니다. Channel 길이가 작아지는 요즘에는 실제로 그럴일은 없고, ro 의 값으로 보입니다. 하지만, 이 또한 매우 큰 값이긴 하죠.  문맥이 같다는 걸 말씀드리고 싶었습니다. 이렇게 생각하고 공부해야 기억이 오래갑니다.