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금속-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-semiconductor field-effect transistor/MESFET)는 그 전도 과정에 주로 한 종류의 운반자만이 참여하기 때문에 단극성 소자이다.

MESFET는 아날로그 회로와 디지털 회로 양쪽에 응용될 수 있는 많은 특성을 가지고 있다. 또 높은 전자 이동도를 지닌 반도체(예를 들면 이동도가 실리콘보다 5배나 더 큰 비소화갈륨)로 만들어질 수 있기 때문에 특히 초단파 증폭과 고속 집적회로에 유용하다. MESFET는 단극성 소자이기 때문에 소수 운반자 효과에 의해 영향을 받지 않으며, 따라서 쌍극성 트랜지스터보다 스위칭 속도가 더 빠르고 작동 주파수가 더 높다.

MESFET의 개략도는 그림7-1에 나와 있다.

이것은 2개의 저항성 접촉을 지닌 전도 채널로 구성되어 있다. 2개의 저항성 접촉 중에서 하나는 소스(source)로, 다른 하나는 드레인(drain)으로 작용한다. 전도 채널은 고저항 반(半)절연성 기판에 의해서 지지되는 얇은 n형층으로 형성되어 있다. 소스에 대해서 드레인에 양의 전압이 걸리면 전자는 소스에서 드레인으로 흐른다. 따라서 소스는 운반자의 방출원이고, 드레인은 운반자의 흡수원이다. 3번째 전극인 게이트는 채널과 함께 정류특성 금속-반도체 접촉을 형성한다.

게이트 전극 밑의 음영(陰影)이 진 부분은 금속-반도체 접촉의 공핍 영역이다. 소스에 대한 게이트 전압의 증감은 공핍 영역의 증감을 일으킨다. 이것은 다시 전류가 소스에서 드레인으로 흐르는 데 이용될 수 있는 단면적을 변화시킨다. 그러므로 MESFET는 전압 제어 저항으로 생각할 수 있다.

그림7-2는 MESFET의 여러 가지 게이트 전압 V_G에 대해서 드레인 전류 I_D와 드레인 전압V_D의 관계가 나타나 있다.

주어진 게이트 전압에서(예를 들면 V_G=0) 처음에는 드레인 전류가 드레인 전압에 따라 선형적으로 증가하는데 이는 전도 채널이 일정한 저항체로 작용하는 것을 나타낸다. 그런데 드레인 전압이 커지면 전도 채널의 단면적이 감소되어 채널의 저항이 커진다. 그결과 전류의 증가는 둔화되고 결국에는 포화값에 다다른다.

주어진 드레인 전압에서 게이트 전압을 변화시킴으로써 전류를 변화시킬 수 있다. 그림의 예로써 V_D가 5V일 때 게이트 전압을 0.5V로 순방향 인가전압을 가하면 전류는 0.6~0.9㎃로 증가한다.

MESFET와 관련된 소자는 접합 전계효과 트랜지스터(JFET)이다. 그러나 JFET는 게이트 전극으로서 금속-반도체 접촉 대신에 p-n 접합을 사용한다. JFET의 작용은 MESFET의 작동과 동일하다.

전도 채널의 형태에 따라 기본적으로 4개의 서로 다른 형의 MESFET(또는 JFET)가 있다.

게이트 인가전압이 0일 때 전도성 n-채널이 존재하고 채널 전도성을 줄이기 위해서 그림7-2처럼 게이트에 음의 전압이 걸려야 한다면, 이는 n-채널 '정상 전도상태'(normally-on) MESFET이다. 채널 전도성이 게이트 인가전압 0에서 아주 낮고 n-채널을 형성하기 위해서 양의 전압이 게이트에 걸려야 한다면, 이 소자는 n-채널 '정상 차단상태'(normally-off) MESFET이다.

이와 유사하게 p-채널 정상 전도상태 및 p-채널 정상 차단상태 MESFET도 있다.

MESFET의 특성을 개선하기 위해서 이원반도체인 비소화갈륨과 삼원반도체인 비소화갈륨알루미늄과 같이 서로 다른 반도체의 접합으로 이루어진 다양한 이종접합 전계효과 트랜지스터(FET)가 개발되었다.

이종접합에는 보통 p-n 접합에서는 얻을 수 없는 많은 유용한 특성들이 있다. 그림8은 이종접합 FET의 단면을 보여주고 있다. 이종접합은 에너지 띠간격(band gap)이 큰 반도체, 예를 들면 에너지 띠간격 1.9eV인 Al_0.4 Ga_0.6As와 에너지 띠간격이 보다 작은 반도체, 예를 들면 에너지 띠간격 1.42eV인 비소화갈륨과의 접합으로 형성될 수 있다.

이 두 물질의 에너지 띠간격과 불순물 농도를 적당하게 조절함으로써 두 반도체의 경계면에 그림8처럼 전도성 채널을 형성할 수 있다. 이 전도성 채널의 전기전도도가 크기 때문에 그것을 통해서 소스-드레인 간에 큰 전류가 흐를 수 있다. 게이트에 전압이 가해지면 채널의 전기전도도는 게이트 전압에 의해 변화될 수 있고 결과적으로 드레인 전류에 변화를 가져온다. 이것의 전류-전압 특성은 그림7-2의 MESFET의 경우와 비슷하다. 만일 에너지 띠간격이 작은 반도체 물질의 순도가 높으면 전도성 채널에서의 전기 이동도가 아주 높아져 동작 속도를 보다 높여준다.