전력 전자의 기초 지식 - NPN MOSFET 과 PNP MOSFET -

전력 전자 시장에서  스위치 소자인  MOSFET의 두 종류  NPN MOSFET과 PNP MOSFET에 대한 소개와 차이점을 설명하는 포스팅을 하겠습니다.

 

NPN MOSFET과 PNP MOSFET의 회로 심볼

 

 - NPN MOSFET과 PNP MOSFET의 의 개요 -

 

MOSFET은 크게 NPN MOSFET과 PNP MOSFET으로 나눌 수 있습니다.

NPN MOSFET과 PNP MOSFET은 트랜지스터 구조와 극성에 따라 서로 다른 두 가지 유형의 MOSFET입니다.

이 둘의 주요한 차이점을 정리하면 아래와 같습니다.

1. 극성

NPN과 PNP MOSFET의 주요 차이점은 극성에 있습니다. NPN MOSFET은 N 채널 장치로, 대부분의 전하 캐리어(전자)가 N형 물질을 통해 흐릅니다. 반면에 PNP MOSFET은 P 채널 장치로, 대부분의 캐리어(정공)가 P형 물질을 통해 흐릅니다.

2. 전류 흐름

NPN MOSFET에서는 게이트에 양의 전압이 인가될 때 전류가 소스(N형 영역)에서 드레인(P형 영역)으로 흐릅니다. PNP MOSFET에서는 게이트에 음의 전압이 인가될 때 전류가 소스(P형 영역)에서 드레인(N형 영역)으로 흐릅니다.

3. 게이트 전압 극성

NPN 및 PNP MOSFET을 제어하는 데 필요한 게이트 전압은 극성으로 인해 다릅니다. NPN MOSFET은 채널을 향상하고 전류 흐름을 허용하기 위해 소스에 대해 게이트에 양의 전압이 필요합니다. 반면 PNP MOSFET은 채널을 향상하고 전류 흐름을 가능하게 하기 위해 소스에 대한 게이트에 음의 전압이 필요합니다.

4. 작동 모드

극성의 차이로 인해 NPN과 PNP MOSFET은 작동 모드가 다릅니다. NPN MOSFET은 일반적으로 부하에서 접지(음전압)까지 저항이 낮은 경로를 제공하는 로우사이드 스위칭 애플리케이션에 사용됩니다. 반면에 PNP MOSFET은 부하에서 양극 공급 전압까지 낮은 저항 경로를 제공하는 하이 사이드 스위칭 애플리케이션에 적합합니다.

5. 상호 보완적 페어링

NPN 및 PNP MOSFET을 상보적 쌍으로 함께 사용하여 상보적 금속 산화막 반도체(CMOS) 회로를 구성할 수 있습니다. CMOS 회로는 낮은 전력 소비와 향상된 노이즈 내성을 달성하기 위해 NPN 및 PNP MOSFET을 모두 활용합니다.

 

 - NPN MOSFET과 PNP MOSFET의 의 사용 예시 비교-

 

NPN MOSFET과 PNP MOSFET은 둘 다 특정 현장에서 많이 응용되고 있습니다. 다음은 실제 애플리케이션 사용 예시입니다.

NPN MOSFET 실생활을 사용 예시

1. 증폭기

저주파 애플리케이션을 위한 오디오 증폭기 및 신호 처리 회로에 NPN MOSFET을 활용할 수 있습니다.

2. 스위칭 회로

NPN MOSFET은 로우사이드 스위칭 애플리케이션에서 스위치 역할을 할 수 있으며, 게이트 전압이 인가될 때 양극 공급에서 접지로 전류가 흐르도록 합니다.

3. 모터 제어

NPN MOSFET은 특히 저전력 또는 소규모 애플리케이션에서 모터 제어 회로에 사용되기도 합니다.

4. LED 드라이버

NPN MOSFET은 발광 다이오드(LED)의 드라이버로 사용되어 LED의 전류 흐름과 밝기를 제어할 수 있습니다.

5. 아날로그 스위치

NPN MOSFET은 특정 애플리케이션에서 아날로그 스위치 및 멀티플렉서를 구축하는 데 적합합니다.

 

 

NPN MOSFET 실생활의 사용 예시

1. 하이사이드 스위칭

PNP MOSFET은 일반적으로 부하에서 양극 공급 전압까지 저저항 경로를 제공하는 하이사이드 스위칭 애플리케이션에 사용됩니다.

2. 모터 제어

PNP MOSFET은 특히 하이사이드 스위칭이 필요한 저전력 또는 소규모 애플리케이션에서 모터 제어 회로에 사용할 수 있습니다.

3. 전원 공급 장치

전압 레귤레이터 및 전원 공급 장치의 출력 스테이지에 PNP MOSFET을 사용하여 출력 전압을 조절하고 제어할 수 있습니다.

4. 오디오 증폭기

저주파 애플리케이션을 위한 오디오 증폭기 회로에 PNP MOSFET을 사용할 수 있습니다.
레벨 시프터: PNP MOSFET은 특정 회로에서 레벨 시프터 역할을 하여 서로 다른 로직 레벨 또는 신호 도메인 간에 전압 레벨을 변환할 수 있습니다.

NPN  MOSFET 및 PNP MOSFET 둘 다 분명 응용 분야가 있지만, 현재는 BJT나 본체 다이오드 통합형의 IGBT 또는 MOSFET과 같은 다른 반도체 장치만큼 일반적으로 자주 사용되지는 않고 있습니다.

 - NPN MOSFET과 PNP MOSFET의 성능 차이 비교 -

 

스위칭 속도의 차이

 

일반적으로 MOSFET 스위칭 속도는 게이트 커패시턴스, 게이트 저항 및 구동 회로와 같은 요인에 의해 결정됩니다. 이러한 요소는 게이트 전압이 상승 또는 하강하는 데 필요한 시간에 영향을 미치며, MOSFET을 온/오프 상태로 전환합니다.
그러나 스위칭 속도 측면에서 P 채널 MOSFET(PNP MOSFET)이 N 채널 MOSFET(NPN MOSFET)에 비해 약간의 단점이 있을 수 있다는 점을 있습니다.. 이는 주로 P채널 MOSFET의 다수 캐리어(홀)가 N채널 MOSFET의 다수 캐리어(전자)에 비해 이동도가 낮기 때문입니다. 따라서 P채널 MOSFET은 스위칭 속도가 약간 느린 편입니다.

그럼에도 불구하고 MOSFET 기술의 발전으로 인해 시간이 지남에 따라 NPN MOSFET 및 PNP MOSFET의 스위칭 속도가 크게 향상되어서 요새는 거의 비슷하다고 할 수 있습니다. 또한 전체 스위칭 속도 성능은 애플리케이션에 사용되는 특정 MOSFET 설계, 제조 공정 및 구동 회로에 따라 달라지므로 모델마다 다르지만 대체적으로 아직까진 NPN MOSFET이 대체적으로 더 빠른 편입니다.

 

에너지 효율의 차이

 MOSFET의 온스테이트 저항(RDS(on))은 전도 손실에 영향을 줍니다. 온스테이트 저항 값이 낮을수록 MOSFET의 전압 강하가 낮아져 전도 손실이 감소하고 효율이 향상됩니다. 일반적으로 NPN MOSFET은 PNP MOSFET에 비해 온스테이트 저항 값이 낮은 경향이 있으며, 이는 이로 인해 에너지 효율 좀 더 좋습니다.

이상,  MOSFET의 두 종류  NPN MOSFET과 PNP MOSFET에 대한 소개와 차이점을 설명하는 포스팅을 마치겠습니다.