MOSFET 완벽 이해: 동작 원리, 종류, 주요 응용 분야

MOSFET는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)의 약자입니다. 일반적인 트랜지스터처럼 현대 전력 전자 분야에서 폭넓게 쓰이는 트랜지스터의 일종입니다. 그 동작은 전기가 어떻게 흐르는지에 기반합니다. MOSFET는 다양한 회로에서 여러 변형된 형태로 사용된다는 점을 아는 것이 중요합니다. 이 글에서는 MOSFET 동작 원리, 기본 종류, BJT 대비 장점, 응용 분야를 다루고 회로에서 MOSFET를 활용하는 방법도 배워봅니다.

시작해 볼까요!

MOSFET란?

MOSFET는 소형 트랜지스터입니다. 트랜지스터는 전압 흐름을 조절하여 전류 흐름을 제어하는 반도체 소자입니다.

BJT와의 차이점은 전류 통과 방식입니다. MOSFET에서는 게이트 영역에 인가된 전압이 드레인에서 소스로 흐르는 전류량을 결정합니다. 이 특성이 '금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터'라는 이름의 유래입니다. 흥미롭게도 이 트랜지스터는 신호를 증폭하거나 특정 종류의 전하 캐리어만 통과시킬 수 있습니다.

(MOSFET 구조)

출처: 위키 커먼즈

요약하면, 폐회로에서 전류 흐름을 결정하는 3단자 소자입니다. 주요 단자는 소스(S), 게이트(G), 드레인(D)입니다. 동작은 인가된 게이트 전압에 따라 달라집니다. 바디까지 고려하면 4단자 소자이기도 합니다.

(전자 컴퓨터 하드웨어 배경의 MOSFET)

MOSFET의 기본 종류

MOSFET에는 세 가지 기본 종류가 있습니다.

첫 번째는 'N채널 인핸스먼트 모드 MOSFET' 또는 보통 온(N채널 MOSFET) 타입입니다. 단자 간에 제로 입력 전압이 걸려도 드레인과 소스 사이 채널로 전류가 흐릅니다. 게이트 신호가 필요 없어 단순한 디지털 회로에 유용합니다. 핀이 물리적으로 분리되어 있습니다.

(N채널 인핸스먼트 모드 MOSFET)

두 번째는 'N채널 디플리션 모드' 또는 보통 오프(N채널) 타입입니다. 음전압이 걸려야 켜지며 전류가 흐릅니다. 꺼진 상태에서 저항 역할을 하므로 입력 전압 제어가 필요한 특정 용도에 유리합니다. 핀이 물리적으로 연결되어 있습니다.

(N채널 디플리션 모드 MOSFET)

세 번째는 'P채널 디플리션 모드 MOSFET 트랜지스터' 또는 보통 오프(P채널 MOSFET)입니다. 단자에 양전하가 흐르지 않으면 전류를 차단합니다. 절연체 역할을 하므로 상시 전류 통전이 필요한 용도에는 부적합합니다.

(P채널 디플리션 모드 MOSFET)

마지막으로 'P채널 인핸스먼트 모드 MOSFET' 또는 보통 온(P채널) MOSFET입니다. 제로 게이트-소스 전압에서 전도됩니다. N채널과 달리 오프 상태에서 에너지를 소모하지 않는 장점이 있어 스위칭 용도에 적합합니다.

(P채널 인핸스먼트 모드 MOSFET)

MOSFET 동작 원리

MOSFET가 어떻게 작동할까요? 답이 놀라울 수 있습니다!

(MOSFET 회로도)

출처: 위키 커먼즈

MOSFET는 인가된 전압에 따라 단자 간 전류 흐름을 허용하거나 차단합니다. 금속 산화막 층에 인접한 반도체 표면에 인가된 전압이 생성하는 전기장 효과로 동작합니다. 결과적으로 P타입 또는 N타입으로 작동할 수 있습니다.

게이트 전극은 소스의 채널과 드레인 영역 사이의 채널 전도도를 제어합니다. 이 동작 원리 덕분에 트랜지스터는 이상적인 스위치 역할을 합니다. 이를 통해 회로의 전기 흐름을 제어할 수 있습니다.

게이트 영역에 흐르는 전압량을 제어하여 드레인-소스 채널의 드레인 전류를 결정합니다.

(MOSFET 심볼 인라인 디자인)

참고: MOSFET 트랜지스터와 BJT 트랜지스터는 약간 다릅니다. BJT는 컬렉터에서 이미터로 전류가 흐르지만, MOSFET는 소스와 드레인 사이에서 흐릅니다. 게이트 단자에 인가된 전압이 특정 문턱 전압을 초과하면 전류가 흐르기 시작합니다.

MOSFET의 BJT 대비 장점

MOSFET가 BJT보다 나은 점은 다음과 같습니다:

첫째, 더 콤팩트한 회로 제작에 유리합니다.
둘째, BJT보다 적은 전력과 에너지를 소모하여 전반적으로 효율적입니다. 베이스 전류가 없어 오프 상태에서 에너지 소모가 매우 적습니다.
셋째, BJT보다 제조 비용이 저렴합니다. 가정용이나 취미용 회로 설계 시 선호되는 이유입니다.
넷째, 게이트 단자가 PNP 트랜지스터처럼 절연을 필요로 하지 않아 고온 환경에서도 작동합니다. 고온이 되는 응용 분야에 유용합니다.
다섯째, 두 개의 도전 단자가 있어 전압 증폭에 유리합니다. 온 상태에서 더 큰 전류 흐름이 가능합니다. 반면 BJT는 드레인-소스 단자 간 전류 통과에 단 하나의 단자만 필요합니다.