본문내용
1. MOSFET 소자 특성 측정
1.1. 목적
MOS Field-Effect Transistor(MOSFET) 소자의 특성(VT, kn, gm)을 Data Sheet를 이용하여 구하고, 설계, 구현하여 전압의 변화에 따른 전류를 측정하고, 이를 이용하여 소자의 특성을 구하는 것이 이 실습의 목적이다.
1.2. 실습준비물
실습준비물은 DC Power Supply(2 channel) 1대, Digital Multimeter (이하 DMM) 1대, 40cm 잭-집게 연결선 (빨강) 4개, 40cm 잭-집게 연결선 (검정) 4개, Breadboard (빵판) 1개, 점퍼 와이어 키트 1개, MOSFET: 2N7000 1개, 저항 1MΩ 1/2W 1개로 구성된다.
1.3. MOSFET의 특성 parameter 계산
1.3.1. Data Sheet를 이용한 VT, kn 구하기
2N7000/FAI MOSFET의 Data Sheet를 참고하면, 먼저 Drain-Source On-Voltage 항목에서 ID = 200mA일 때 VDS = 0.6V로 기술되어 있다. 이때 ID = 200mA이고 VGS-VT = 0.6V이므로 문헌에 제시된 식 ID = kn(VGS-VT)^2을 이용하여 kn을 계산할 수 있다.
계산 과정은 다음과 같다. ID = kn(VGS-VT)^2에서 ID = 200mA, VGS-VT = 0.6V이므로, kn = ID / (VGS-VT)^2 = 200mA / (0.6V)^2 = 0.556이다.
따라서 2N7000/FAI MOSFET의 kn 값은 0.556이다.
또한 Data Sheet에서 Gate Threshold Voltage(VT)는 2.1V로 명시되어 있다.
즉, Data Sheet를 이용하여 구한 2N7000/FAI MOSFET의 VT는 2.1V, kn은 0.556이다.
1.3.2. kn 계산을 위한 수식 및 수치 설명
1.3.3. VOV=0.6V인 경우 gm 값 구하기
VOV=0.6V인 경우 gm 값을 구하기 위해서는 다음과 같은 과정이 필요하다.
먼저 MOSFET의 포화 영역 동작을 가정한다. 이 때 드레인 전류 ID는 다음 수식으로 표현될 수 있다.
ID = (1/2) * kn * W/L * (VGS - VT)^2
여기서 kn은 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스 계수이고, W/L은 채널 폭과 길이의 비율이다. VGS는 게이트-소스 전압, VT는 문턱 전압을 나타낸다.
VOV=0.6V인 경우, VGS-VT = 0.6V이 된다. 따라서 위 수식을 변형하면 다음과 같이 gm을 구할 수 있다.
gm = ∂ID/∂VGS = kn * W/L * (VGS - VT) = kn * W/L * 0.6
이때 2N7000 MOSFET의 경우 데이터시트에서 kn=0.256 A/V^2, W/L=2.5이 주어져 있다. 따라서 VOV=0.6V일 때 gm은 다음과 같이 계산된다.
gm = 0.256 * 2.5 * 0.6 = 0.384 S = 384 mS
즉, VOV=0.6V인 경우 2N7000 MOSFET의 트랜스컨덕턴스 gm은 384 mS이다.
1.4. MOSFET 회로도 구성 및 시뮬레이션
1.4.1. OrCAD를 이용한 회로도 설계
OrCAD를 이용한 회로도 설계는 다음과 같다. 작성한 회로도를 통해 MOSFET의 특성을 분석하고자 한다.
OrCAD를 활용하여 그림 1의 회로도를 설계하였다. 회로도에는 2N7000/FAI MOSFET 1개와 1MΩ 저항 1개가 포함되어 있다. MOSFET의 게이트 단자와 Vg 전압원을 연결하여 입력 전압을 인가할 수 있도록 하였다. 드레인 단자에는 전류 마커를 배치하여 전류를 측정할 수 있도록 하였다. 이를 통해 MOSFET의 전압-전류 특성을 분석할 수 있을 것으로 기대된다. 회로 설계 시 데이터시트에서 확인한 MOSFET의 특성 파라미터들을 고려하여 적절한 회로 구성을 하였다. 이러한 회로 설계를 통해 MOSFET의 특성을 효과적으로 분석할 수 있을 것이다.
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