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1. MOSFET의 특성 실험
1.1. 실험 개요
이 실험은 MOSFET이라는 새로운 반도체 소자의 동작 원리를 이해하고, 전압-전류 관계를 실험적으로 측정하여 드레인 특성곡선과 전달특성곡선을 결정하는 것을 목적으로 한다. MOSFET은 게이트, 드레인, 소스, 바디의 4단자로 구성되어 있으며, 게이트 전압을 변화시킴으로써 채널의 폭이 변화하고 그에 따라 전류가 변화하는 소자이다. 이번 실험에서는 회로를 구성하고 게이트-소스 전압(VGS)과 드레인-소스 전압(VDS)의 값을 조정해 가면서 드레인 전류(ID)를 측정하여 드레인 특성곡선과 전달특성곡선을 실험적으로 확인하고자 한다.
1.2. 실험 결과
1.2.1. 드레인 특성곡선
MOSFET의 드레인 특성곡선은 드레인-소스 전압(VDS)과 드레인 전류(ID) 사이의 관계를 나타낸다. 실험 결과를 보면, VGS 전압이 증가할수록 드레인 전류가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
VDS가 증가하면서 드레인 전류(ID)도 증가하는데, 이는 VGS가 일정한 경우 VDS가 증가하면 MOSFET의 채널 폭이 좁아져 전류가 증가하기 때문이다. 하지만 일정 수준 이상의 VDS에서는 채널 폭이 더 이상 좁아지지 않아 전류가 더 이상 증가하지 않고 일정해진다. 이를 포화 영역이라고 한다.
VGS가 3V까지는 드레인 전류가 급격히 증가하다가 4V 이상에서는 증가폭이 감소하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 이 MOSFET의 문턱 전압(Vth)은 약 4V 정도로 추정할 수 있다. 0V에서 4V 사이에서는 트라이오드 영역, 4V 이상에서는 포화 영역으로 동작한다고 볼 수 있다.
실험 결과에서 약간의 오차가 발생했지만, 전반적인 MOSFET의 드레인 특성곡선의 형태를 확인할 수 있었다. 이를 통해 MOSFET 소자의 동작 원리와 특성을 이해할 수 있었다.
1.2.2. 전달특성곡선
전달특성곡선은 MOSFET의 게이트-소스 전압(VGS)과 드레인 전류(ID) 사이의 관계를 나타내는 곡선이다. 실험 결과에 따르면, VGS가 0V에서 2.2V까지 증가함에 따라 ID가 0에서 2130μA까지 점진적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 전달특성곡선의 특징을 살펴보면 다음과 같다. 첫째, VGS가 0V에서 약 2V까지는 ID가 거의 0에 가까워 MOSFET이 차단 상태에 있음을 알 수 있다. 이 구간을 CUTOFF 영역이라 한다. 둘째, VGS가 약 2V를 넘어서면 ID가 급격히 증가하기 시작하는데, 이 전압을 문턱 전압(Vth)이라 한다. 셋째, VGS가 2V 이상으로 증가하면 ID도 점점 더 증가하는데, 이 구간을 SATURATION 영역이라 한다.
전달특성곡선을 통해 MOSFET의 동작 원리와 주요 파라미터를 이해할 수 있다. 즉, 게이트 전압 인가에 따른 전류 변화 특성, 문턱 전압, 그리고 CUTOFF 및 SATURATION 영역 등을 확인할 수 있어 MOSFET 소자의 특성을 종합적으로 파악할 수 있다.
1.3. 결과 분석 및 결론
MOSFET의 특성 실험에 대한 결과 분석 및 결론은 다음과 같다.
이번 실험은 MOSFET이라는 새로운 소자에 대해서 동작 원리를 이해하고 전압-전류 관계를 실험적으로 측정하여 드레인 특성곡선과 전달 특성곡선을 알아보는 실험이었다. MOSFET 소자는 게이트의 전압을 인가시켜 드레인과 소스 사이에 채널을 형성하고, 그 채널을 통해 전류가 흐르게 하는 소자이다. 게이트, 드레인, 소스, 바디의 4단자로 구성되어 있으며, 게이트 전압을 변화시킴으로써 채널의 폭이 변화하고 그에 따라 전류가 변화하게 된다.
실험 결과, V_GS값이 3V까지는 I_D가 급격하게 증가하다가 4V 이후부터는 기울기가 감소하여 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이로 미루어 보아 핀치오프 전압은 약 4V라고 할 수 있고, 0V부터 4V 사이에는 트라이오드 영역, 4V이상의 영역은 포화영역인 것을 확인할 수 있었다. 전달특성곡선의 특성을 통해서도 MOSFET의 동작 특성을 잘 이해할 수 있었다.
다만 실험 과정에서 약간의 오차가 발생하긴 하였지만, 대략적인 개형을 보면서 MOSFET의 전달특성곡선의 특성과 공통 소스 증폭기에 대해서 잘 이해할 수 있는 실험이었다고 할 수 있다.
1.4. 검토 및 고찰
(3) 증가형 MOSFET에서 나타나는 n형 반전층에 대해 설명하면, 증가형 MOSFET의 소스와 드레인은 n형 영역으로 전자가 다수 캐리어이며, 두 영역 사이에는 p형 영역으로 정공이 다수 캐리어이다. 평상시에는 소스와 드레인 사이에 전자가 흐를 수 있는 채널이 형성되어 있지 않다. 이때 게이트에 양의 전압을 걸어주면, 게이트와 실리콘 기판 사이에 유전체가 끼어 있어 전류는 흐를 수 없지만 전기장이 형성되어 게이트 밑부분에 있는 정공들이 척력을 받아 밀려나고 전자(p형 영역에서의 소수 캐리어)들이 인력을 받아 몰려들어 n형 채널이 형성된다. 이렇게 형성된 n형 채널을 반전층이라고 부른다. 즉, p형 영역의 다수 캐리어는 정공이었는데, 게이트에 걸어준 양의 전압 때문에 다수 캐리어인 정공이 물러나고 소수 캐리어인 전자가 몰려들어 캐리어 영역이 p형으로부터 n형으로 반전되었기 때문에 반전층이라고 불리게 된 것이다.
(4) 게이트-소스전압이 0인 경우 공핍형 MOSFET에 흐르는 드레인 전류는 IDSS로 표현되며, 증가형 MOSFET의 드레인 전류는 0A이다. 공핍형 MOSFET은 게이트-소스전압이 0V일 때에도 전류가 흐를 수 있게 하는 소자이지만, 증가형 MOSFET은 게이트-소스전압이 0V일 때 전류가 흐르지 않는다.
2. MOSFET I-V 특성
2.1. 실험 목적
MOSFET I-V 특성 실험의 목적은 MOSFET에서 전류와 전압 사이의 특성을 확인하는 것이다. 이를 통해 MOSFET의 동작 원리와 전류-전압 특성을 이해할 수 있다.
구체적으로 MOSFET에서 드레인에 인가하는 전압을 고정하고, 게이트에 인가하는 전압을 변화시키며 드레인에 흐르는 전류와 드레인과 소스 사이 전압과의 관계를 확인한다...
