FET의 다양한 유형은 무엇인가요?

필드 효과 트랜지스터(FET)는 오늘날 디지털 로직의 주역이지만, 디지털 집적 회로 외부에서도 모터 드라이버부터 전압 조절기, 특수 증폭기에 이르기까지 다양한 종류의 FET을 활용할 수 있는 많은 응용 분야가 있습니다. 또한, 이산 FET이 양극 접합 트랜지스터(BJT) 친척들에 비해 가지는 몇 가지 유용한 장점이 있습니다.

고급 구성 요소와 응용 프로그램이 FET 아키텍처를 근본적으로 수정하고 최적화하는 데 계속 집중하고 있지만, 이산 BJT와 FET은 여기에 남아 있습니다. 다양한 종류의 FET 각각은 다른 시스템에서 자리를 차지하며, 설계자는 최고의 공급망 도구 세트를 사용하여 필요한 정확한 FET을 찾을 수 있습니다. 어떤 종류의 FET을 사용해야 할지 확실하지 않다면, 다양한 FET과 가장 중요한 사양에 대해 자세히 알아보기 위해 우리의 가이드를 읽어보세요.

FET의 종류와 그 응용

필드 효과 트랜지스터, 간단히 FET은 현대 디지털 집적 회로의 기초를 형성합니다. 이전의 BJT와 마찬가지로, FET은 전압이 게이트에 적용되어 소스와 드레인 사이의 전류 흐름을 제어하는 세 개의 단자 스위치입니다(모스펫의 본체 단자를 포함하면 네 개). 게이트 영역에 전압이 적용되면, 채널 저항은 입력 전압의 함수로 상태를 전환합니다. 이것은 다양한 종류의 FET의 매우 기본입니다.

FET은 세 가지 다른 유형으로 세분됩니다: 절연 게이트 FET(모스펫으로 더 잘 알려짐), 접합 FET(JFET), 금속-반도체 FET(MESFET). 아래의 흐름도는 이 세 가지 유형의 FET과 그 하위 유형을 간략하게 요약합니다. 다양한 종류의 모스펫 중에서, 설계자는 시스템에서 스위칭을 구현하는 방식에 대해 일부 유연성을 제공하는 증강 유형 또는 소모 유형 FET 중에서 선택할 수 있습니다(예: 전력 조절기).

선택할 수 있는 다양한 종류의 FET이 많기 때문에, 어느 것이 최선이며 BJT와 어떻게 비교될까요? 다양한 응용 분야에서 어떤 종류의 FET이 중요한지 좀 더 깊이 파고들어 보겠습니다.

MESFET 응용

MESFET은 고출력이 필요한 RF 응용 분야에서 드라이버나 스위치로 자주 사용됩니다. 상용 MESFET 구성 요소는 SO/SOIC/SOP 패키지로 제공되며, 대역폭이 ~8 GHz에 이르는 구성 요소가 있고, QFN 패키지에서는 ~30 GHz에 이르는 고주파수를 접근할 수 있습니다. 고주파수 MESFET은 일반적으로 SiGe(저중간 출력 전력) 또는 GaAs(고출력 전력)에서 제작되며, 이러한 구조는 고주파 SoC에 통합됩니다.

MOSFET 응용

FET 중에서도 MOSFET은 아마도 가장 넓은 범위의 실용적 응용 분야를 가지고 있을 것입니다. 이러한 구성 요소는 kW 수준에 이르는 스위칭 전력을 처리할 수 있기 때문에 많은 전력 전자 응용 분야에서 자리를 찾습니다. 물론 현대 CMOS 논리 회로에 익숙한 사람이라면 MOSFET이 CMOS 장치의 기초를 형성한다는 것을 알아야 합니다.

스위칭 응용 분야에 개별 MOSFET을 선택해야 하는 경우, 장치가 어떻게 스위칭되는지가 매우 중요합니다. 게이트 영역에 적용되는 올바른 전압 극성을 선택해야 합니다. 개선형 NMOS는 고전압/전류에서 전력 조절 및 컨디셔닝과 같은 응용 분야에서 스위칭 요소로 자주 사용되며, 보드 주변에 양의 전압만 공급하면 되므로 접지 및 레이아웃이 더 쉽다는 것을 발견했습니다.

JFET 응용 분야

JFET도 n 채널과 p 채널 종류가 있으며, 전자의 이동성이 구멍보다 높기 때문에 일반적으로 n 채널이 사용됩니다. JFET는 드레인-소스 전압이 충분히 높을 때(다이오드의 브레이크다운과 유사하게) 브레이크다운 영역을 가지고 있습니다. MOSFET과 비교할 때, JFET는 다음과 같은 특성을 가집니다:

• 소모 모드만

• 낮은 주파수 드리프트

• 낮은 입력 임피던스

• 높은 드레인 저항은 더 평탄한 전달 곡선을 제공합니다

• 더 높은 입력 용량

낮은 주파수 드리프트는 오실레이터나 정밀 타이밍 회로에서 더 바람직하게 만듭니다. 더 높은 입력 용량은 스위치로 사용될 때 약간 더 긴 켜짐 시간을 초래합니다. 오실레이터로 사용될 때 유용할 수 있지만, 증폭기로 사용될 때는 MOSFET에 비해 상대적으로 낮은 이득-대역폭 제품을 가지며 MESFET보다 훨씬 낮습니다.

HEMT 응용 분야

고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 FET에서 사용되는 재료에 더 가까운 것을 의미하며, 완전히 다른 구조나 회로 유형을 의미하지는 않습니다. HEMT는 고주파에서 전력을 공급하거나 빠른 에지 속도로 스위칭해야 하는 RF 장치에 사용될 수 있습니다. 이 장치에 일반적으로 사용되는 재료는 GaAs와 GaN으로, 둘 다 상용 구성 요소에서 사용됩니다. 이 장치들은 mmWave 범위까지 도달하는 주파수에서 높은 전력 출력을 제공하도록 설계되었습니다. 다른 III-V 재료인 InP도 HEMT에 사용하기 위해 연구되었습니다. 그러나 이러한 재료는 아직 대규모 표준 구성 요소 공정에서 생산할 수 없습니다.

HEMT 응용 분야가 MESFET와 겹치기 때문에, 이들 재료 간의 차이점이 무엇인지 묻는 것이 타당합니다. 차이점은 트랜지스터의 에피택셜 층에서 나타납니다. HEMT는 장치의 벌크 재료보다 높은 전자 이동도를 가진 구성적으로 다른 층의 재료를 쌓아서 사용하는 이종 구조 장치입니다. GaAs HEMT에서 에피택셜 층에 일반적으로 사용되는 재료는 비화학양론적 AlGaAs입니다. MESFET에서는 이러한 같은 구조나 재료를 보지 못합니다.

GaN HEMT에서 사용되는 비화학양론층과 유사한 접근 방식은 에피택셜 층이 AlGaN인 경우에 사용됩니다. SiC 기판 위에 있는 예시 HEMT 구조는 아래에 나타나 있습니다. 이 구조에서 AlGaN 층은 도핑된 다층 구조일 수 있으며, 전도 채널은 이 장치의 이 부분에서 형성될 것입니다.

전도 채널에서의 전자의 높은 이동성은 고 GHz 주파수에서 훨씬 더 효율적인 전력 전달을 제공합니다. 이러한 시스템은 mmWave 대역에서 작동하는 스케일링된 Si MOSFET에 비해 더 높은 전력 처리, 더 높은 주파수 및 더 큰 열 분산(특히 SiC와 함께)을 제공합니다. 이러한 이유로 GaN HEMT는 전력 전자에서 Si MOSFET의 고열 전도성 대체재로도 사용되었습니다.

FET에 대한 중요 사양

데이터 시트에 나열된 모든 사양을 나열하고 싶지만, 모든 응용 프로그램에 관련된 사양은 아닙니다. 거의 모든 응용 프로그램에 대해 보편적인 몇 가지가 있습니다:

• 온 상태 저항: 이는 전력 전달 및 스위칭에서 FET의 효율성을 결정하는 가장 중요한 사양 중 하나입니다.

• 누설 전류: 꺼진 상태에서도 소스와 드레인 사이에는 약간의 전류가 흐르며, 이로 인해 꺼진 상태에서 일부 전력 손실이 발생합니다.

• 단자 용량: 이러한 용량 값은 장치의 스위칭 시간을 제한할 것입니다. 이는 고주파 아날로그 제품을 설계하는 경우에만 일반적으로 중요합니다.

• 절대 최대 온도: 채널 온도가 최대 정격 값을 도달하면 FET는 실패할 것입니다. 여기에는 일반적으로 작은 안전 계수가 있지만, 이러한 구성 요소는 배치될 환경을 고려하여 선택해야 합니다.

• 전압/전류 등급: 이 값 쌍은 특정 구동 방법(DC, 펄스 또는 조화)에 대해 지정되며 FET의 안전 작동 영역을 결정할 것입니다. 특정 FET에 대해 이러한 사양이 초과되면 장치는 파괴를 경험하고 실패할 것입니다.

마지막 포인트는 FET의 안전 작동 영역과 관련이 있습니다. 모든 FET에는 FET가 실패하지 않고 작동할 수 있는 소스-드레인 전압(V(DS))과 드레인 전류(I(D))의 조합이 있습니다. 이러한 전압, 전류 및 구동 방법의 조합은 MOSFET의 안전 작동 영역을 형성하며, 그래프에서 추적할 수 있습니다.

MOSFET의 안전 작동 영역 예시(ON Semiconductor의 FDD7N25LZTM)는 아래에 나타나 있습니다. 이 그래프에서는 DC 구동이 다른 조건(이 경우, 펄스 구동)에서 AC 구동과 비교되고 있습니다. DC 구동의 경우, 안전 작동 영역 경계는 원점에 더 가까울 것입니다. 펄스 지속 시간이 짧을 때 안전 작동 영역이 확장되는 이유는 동일한 펄스 반복 주파수를 가정할 때 평균 전류가 더 낮기 때문입니다.

FET의 안전 운전 영역을 결정하는 세 가지 주요 요소는 다음과 같습니다:

• 접합부의 정상 상태 온도

• ON 상태 저항

• 구동 방식 (DC, AC 등)

일반적으로, DC 구동의 평균 전류와 일치하는 AC 구동은 비슷한 안전 운전 영역을 가집니다. AC 구동에서 평균 전류가 감소하면 안전 운전 영역이 확장됩니다. 이는 전력 전달 응용 프로그램에서 MOSFET을 선택하는 간단한 기준으로 사용될 수 있습니다: AC 구동하에서의 평균 전류를 유사한 운전 매개변수(V(DS) 및 I(D)) 하의 DC 구동 전류와 비교하여 MOSFET이 AC 구동하에서 신뢰할 수 있는지 결정하십시오.

더 어려운 다른 요소는 MOSFET의 온도, 특히 접합부 온도입니다. 접합부 온도가 너무 높으면 MOSFET이 고장날 위험이 있습니다. 안전 운전 영역과 정확한 비교를 위해서는 ON 상태에서의 전력 손실을 결정하고 구성 요소의 열 저항을 사용하여 평형 온도를 예측하는 것이 필요합니다. 일반적으로, 접합부 온도가 높을수록 안전 운전 영역이 작아집니다.

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