MOSFET은 어떻게 켜지고 꺼지는가

MOSFET은 게이트 전압으로 소스와 드레인 사이의 길을 열고 닫는 스위치입니다. 전류식을 먼저 외우면 조건이 조금만 바뀌어도 해석이 흔들리기 쉽습니다. 이 글은 식 대신 전자와 정공이 실제로 어디에 있고 어디로 움직이는지를 눈으로 먼저 확인하고, 그 그림에서 식이 따라 나오도록 구성했습니다.

구조부터 눈에 익히기

NMOS는 p형 기판 위에 n⁺ 소스와 n⁺ 드레인이 있고, 그 사이 표면에 얇은 산화막(SiO₂ 또는 high-k)과 게이트 전극이 올라간 구조입니다. 게이트가 꺼져 있으면 소스와 드레인은 p형 기판을 사이에 둔 등을 맞댄 두 개의 pn 접합이라서 어느 방향으로도 전류가 거의 흐르지 못합니다.

위 시뮬레이션은 26초짜리 데모가 자동으로 반복 재생됩니다. 재생 바의 눈금을 누르면 각 장면으로 바로 이동하고, 화면을 드래그하면 소자를 돌려 볼 수 있습니다. 슬라이더를 건드리면 데모가 멈추고 직접 조작 모드로 바뀝니다.

① 게이트가 꺼져 있을 때: 채널이 없다

VGS가 0 V이면 게이트 아래 표면에는 정공이 그대로 있습니다. 드레인에 전압을 걸어도 드레인–기판 접합이 역방향이라 전류가 막힙니다. 실제로는 완전한 0이 아니라 서브스레숄드 누설 전류가 아주 조금 흐르고, 이 값이 대기 전력을 결정합니다.

② 게이트를 올리면: 공핍 후 반전

게이트에 양전압을 주면 산화막을 사이에 두고 전기장이 생깁니다. 처음에는 표면의 정공(다수 캐리어)이 아래로 밀려나 이동 가능한 전하가 없는 공핍층이 커집니다. 전압을 더 올려 문턱전압 V_th를 넘으면 표면 전위가 충분히 휘어져 소수 캐리어인 전자가 표면에 모이고, 이 전자층이 채널(반전층)입니다. 시뮬레이션에서 청록색 층이 생기는 순간이 바로 이 시점입니다.

③ 드레인 전압을 올리면: 선형에서 포화로

채널이 열린 상태에서 드레인에 양전압을 걸면 전자가 소스에서 드레인으로 이동합니다. 전자는 음전하라서 전류(관례)는 반대로 드레인에서 소스로 흐릅니다. 드레인 쪽으로 갈수록 채널 전위가 올라 게이트와의 전위차가 줄고, 그만큼 채널이 얇아집니다.

V_DS가 V_GS−V_th에 도달하면 드레인 끝의 채널 두께가 0이 됩니다. 이것이 핀치오프입니다. 그 이후에는 채널 끝의 전자가 공핍층의 강한 전기장에 끌려 드레인으로 넘어가므로, V_DS를 더 올려도 전류는 거의 늘지 않고 포화됩니다.

위 식은 긴 채널(long-channel) 근사입니다. 포화 영역의 전류가 과구동 전압의 제곱에 비례한다는 점을 ④ 장면(게이트를 2.6 V까지 올리는 구간)에서 전류 막대가 가파르게 커지는 모습으로 확인해 보세요. 작은 λ 항은 채널 길이 변조로, 핀치오프 지점이 소스 쪽으로 조금 이동해 유효 채널 길이가 줄어드는 효과입니다.

④ 다시 끄기

게이트를 문턱 아래로 내리면 채널이 사라지고 정공이 표면으로 돌아옵니다. 이때 전류는 지수적으로 감소하는데, 로그 축의 전달 특성 곡선에서 이 기울기가 바로 서브스레숄드 스윙입니다. 상온에서 이상적인 한계는 약 60 mV/dec이고, 짧은 채널 소자가 이 한계에 얼마나 가까운지가 게이트 제어력의 척도가 됩니다.

스스로 확인해 보기

• 문턱전압 슬라이더를 0.4 V와 1.1 V로 바꾸고 같은 V_GS에서 전류가 어떻게 달라지는지 봅니다.
• V_GS를 고정하고 V_DS를 0에서 3 V까지 올리며 채널이 드레인 쪽부터 사라지는 순간을 찾아봅니다.
• 전달 특성 탭에서 “로그 축”을 켜고 문턱 아래 전류가 직선으로 떨어지는 구간을 확인합니다.