전계효과 트랜지스터라는 것은 또 뭘까?(3) MESFET

[덤보]

금속-반도체 FET(Metal-Semiconductor Field Effect Transistor, MESFET)

MOS-FET(Metal-Oxide-Semiconductor) 즉, 금속산화물 반도체라는 것은 앞에서 알아보았는데

금속-반도체 FET(Metal-Semiconductor Field Effect Transistor, MESFET)란 또 뭔지 알아보기로 하자.

금속-반도체 MESFET는 앞에서 언급한 MOS-FET와 같이 N형 반도체(또는 P형 반도체)에 P형 불순물(또는 N형 불순물)을

도핑하여 PN접합을 형성한 구조와는 달리, Schottky 다이오드 형태 구조로 채널을 생성하고,

한 종류의 캐리어만이 전도되는 단극성 소자이다.

MESFET 구조를 살펴보면 기판으로 GaAs 반절연체를 사용하고 있으며, 그 위에 얇은 N-type GaAs로 채널을 형성하고,

또 그 위에 저항성접촉(Ohmic)을 형성하기 위한 금속(Au-Ge)층과 게이트의 Schottky barrier를 형성하기 위한

금속(Al,Ti,W,Au)층을 형성한 구조로 되어 있다.

쉽게 이야기하면 MOS-FET는 실리콘 반도체를 사용하여 PN접합을 하여 게이트를 형성한 FET이고,

MESFET는 GaAs 기판위에 금속층을 접합하여 Schottky 게이트를 형성한 FET라고 할 수 있겠다.

MESFET 역시 Depletion MESFET과 Enhancement MESFET로 구별되는데,

여기서 Depletion MESFET와 Enhancement MESFET의 차이는

게이트에 공급되는 전압에 의해 (-) 전압에서 동작하는 것을 D-MESFET(normally-on),

(+) 전압에서 동작하는 것을 E-MESFET(normally-off)로 판단하면 된다.

(참고: normally-on : 소자의 성형시 채널을 미리 생성하여 정상전도상태로 만들어 놓은 것을 말하며,

         소자를 차단상태로 만들기 위해 게이트에 (-) 전압을 공급한다.)

이러한 MESFET는 앞서 언급한 J-EFT와 거의 유사한 동작을 하지만, 게이트가 PN 접합이 아닌 Schottky barrier라는 것과,

성형 재료가 J-FET는 Si 이고 MESFET는 GaAs 라는 것이 다르다.

또한, MESFET는 GaAs의 Schottky contact의 높은 에너지 장벽과 GaAs의 높은 전자 이동도를 이용하기 위한 것으로

전자 이동도가 낮은 P 채널 GaAs FET는 많이 사용되지 않는다.

MESFET 구조

그럼 MESFET의 동작을 살펴보자.

MESFET 동작은 소스에 대한 게이트 전압 증감으로 공핍층의 단면적을 증감시켜 전류의 흐름을 제어하는 J-FET와 유사하게

동작하므로 간단하게 설명하자.

E-MESFET 동작

E-MESFET는 게이트(Schottky 게이트)에 (+) 전압을 걸어주면 N 채널에 형성된 공핍층(공간전하층)의 폭이 줄어들게 되어

전류 흐름이 제어된다.

즉, 게이트에 걸리는 전압이 (0)일 때 드레인 전류는 흐르지 않게 되고, 전압이 (+)로 증가하게 되면 드레인 전류는

MOS-FET와 같이 증가하게 된다.

D-MESFET 동작

D-MESFET는 E-MESFET와는 반대로 게이트에 (-) 전압을 걸어주면 N 채널에 형성된 공핍층(공간전하층) 폭이 넓어지게 되어

전류의 흐름이 제어된다.

즉, 게이트에 걸리는 전압이 (0)일 때 드레인 전류는 최대치가 되고, 전압이 (-)로 증가하게 되면 드레인 전류는 줄어들게 된다.

MESFET 동작특성

MESFET 심볼

이러한 MESFET는 Si 대신 높은 전자 이동도를 가진 GaAs를 사용함으로 매우 빠른 고속의 반도체로 사용되어지는데,

주로 주파수가 높은 무선주파수의 출력증폭기의 출력소자와 고속으로 동작하는 집적회로의 논리회로나

기억소자 등에 사용된다.

[Der Techniker]

MESFET은 RF회로에서 볼 확률이 높다는 생각이 듭니다.