MOS
FET

전압으로 여닫는 스위치

MOSFET은 게이트, 소스, 드레인 세 다리짜리 스위치다. 전류는 소스와 드레인 사이로 흐르고, 그 길을 여닫는 손잡이가 게이트다.

핵심은 게이트가 절연막(아주 얇은 산화막) 뒤에 있다는 점이다.
그래서 게이트는 채널에 직접 닿지 않고 전압으로만 영향을 준다.
MOS는 Metal-Oxide-Semiconductor, 금속과 산화막과 반도체를 쌓은 샌드위치를 뜻한다.

게이트에 양(+)전압을 걸면 절연막 아래로 전자가 끌려와 소스와 드레인을 잇는 채널이 생긴다.
전압을 빼면 채널이 사라져 길이 끊긴다.
즉 게이트 전압 하나로 ON과 OFF가 갈린다.

문턱전압을 넘으면 ON

채널은 전압이 충분히 높아야 생긴다. 그 기준선이 문턱전압 V_th(threshold)다.

게이트와 소스 사이 전압 V_GS가 V_th보다 작으면 채널이 생기지 않아 전류가 흐르지 않는다. OFF다.
V_GS가 V_th를 넘으면 채널이 열려 드레인 전류 I_D가 흐른다. ON이다.

문턱을 넘은 뒤 포화영역에서는 전류가 제곱법칙을 따른다.
I_D = k(V_GS − V_th)²
V_GS를 더 올릴수록 채널이 더 두꺼워져 전류가 가파르게 늘어난다.

디지털 회로는 이걸 0과 1로만 쓴다.
문턱 아래면 0(OFF), 문턱 위로 충분히 높으면 1(ON)이고, 가운데는 잠깐만 스쳐 지난다.

직접 채널을 여닫아 보기

게이트 전압 V_GS를 0에서 올리면 문턱까지는 전류가 0이다. 채널이 아직 생기지 않았다.

문턱을 넘으면 채널이 진해지고 입자가 흐르며 I_D가 제곱으로 커진다.

올리는 내내 게이트 전류 I_G는 거의 0으로 박혀 있다.
전압만 바꿨을 뿐 게이트로 전류를 쏟아붓지 않았기 때문이다.
전류를 흘려야 켜지는 BJT와 결정적으로 갈리는 지점이다.

게이트 전류 ≈ 0 → 저전력

MOSFET이 칩의 주력이 된 이유는 켜는 비용이 거의 0이기 때문이다. 게이트가 절연돼 있어 유지 전류가 들지 않는다.

BJT는 베이스로 계속 전류를 흘려야 ON을 유지하고, 켜둘수록 전력을 먹는다.
MOSFET은 게이트에 전압만 채워두면 된다. 정적 상태에서 게이트 전류는 거의 0이다.

전환하는 순간에만 절연막 양쪽 전하를 채우고 비우느라 짧게 전류가 든다 (스위칭 손실).
가만히 켜둔 상태(정적)에서는 게이트로 빠지는 전력이 거의 없다.

이 저전력 덕분에 한 칩에 수십억 개를 깔아도 발열이 감당된다.
CMOS 구조는 여기서 한발 더 나가, 정적 상태에서 전원에서 접지로 새는 전류까지 거의 0으로 만들어 더 아낀다.

정리, 칩의 주력 스위치

MOSFET은 세 가지로 압축된다.
전압으로 켜고, 문턱이 기준이고, 거의 공짜로 유지한다.

게이트 전압이 손잡이다. 전류가 아니라 전압으로 채널을 여닫는다.
V_GS가 문턱 V_th를 넘어야 채널이 생기고 I_D가 흐른다.
게이트는 절연돼 전류가 거의 들지 않아 켜둬도 전력을 거의 먹지 않는다.

그래서 디지털 칩 속 논리 게이트와 메모리 셀의 스위치가 전부 MOSFET이다.
BJT가 아날로그와 전력 쪽에서 버티는 동안, 미세 집적과 저전력은 MOSFET이 가져갔다.