모스펫(MOSFET)의 바디 다이오드(body diode)

모스펫의 body diode에 대해서 알아봅시다.

 

https://electronics.stackexchange.com/questions/389406/how-should-i-understand-the-intrinsic-body-diode-inside-a-mosfet

How should I understand the intrinsic body diode inside a MOSFET?

npn 모스펫의 구조입니다. npn모스펫의 경우 위와 같이 Body → Drain 방향으로 PN junction(다이오드)이 형성됩니다.

 

즉 모스펫이 꺼져서 게이트 채널이 없어도, 노란 선을 따라 Source에서 Body를 거쳐 Drain으로 전류가 흐를 수 있다는 것이죠.

 

여기서 노란 선으로 Source와 Body를 묶었다는 점도 중요한데요, Body → Source 방향으로도 똑같이 PN junction이 존재하지만 (모스펫은 대칭 구조) Drain은 Body랑 묶여있지 않기 때문에 Drain에서 전류가 직접적으로 PN junction까지 도달할 수가 없습니다.

 

그리고 노란 선은 모스펫을 패키징할 때 일부러 추가해주는 옵션입니다. Source → Drain 방향의 다이오드가 유용하게 활용될 수 있기 때문이에요. 한가지 예로 컨버터의 ZVS 동작을 위해서는 이 다이오드가 필수적입니다. 아무튼 다이오드가 필요한 상황이 있기 때문에 패키징을 저렇게 하게 되는 거에요.

 

회로 시뮬레이션 툴 psim에서도 모스펫을 찾아보면 위와 같이 바디 다이오드의 존재를 명시해주고 있네요.

 

그럼 이 다이오드의 효과는 무엇일까요?

 

모스펫은 on되었을 때 양방향 전류 도통이 가능합니다. 일단 모스펫에 채널이 형성되면 소스와 드레인 사이에는 방향 제한 없이 전류가 흐를 수 있는 것이죠.

 

그래서 ac sine전압을 인가하며 모스펫을 스위칭하면 다음과 같은 그래프가 나오는데요.

위는 저항에 걸리는 전압의 파형입니다.

 

전압이 순방향 (sine > 0) 인 동안에는 모스펫이 on, off를 하며 전류의 도통과 차단을 반복합니다. 저항 양단의 전압 값이 0일 때 off겠네요(= 저항을 흐르는 전류가 0).

 

반면에 역방향(sine < 0) 인 동안은 전압이 0이 되는 시간이 없어요.

 

왜냐하면 모스펫이 off여도 바디 다이오드를 통해 전류가 흐르기 때문입니다, 이때 전압은 다이오드의 built in 전압만큼만 깎이게 돼요.

 

이처럼 sine파를 가해줌으로써 바디 다이오드가 있는 모스펫의 전류 도통에 대해 알아볼 수 있습니다. 바디 다이오드는 모스펫이 꺼졌음에도 source에서 drain으로의 전류 환류 루트를 제공한다는 것을 알게 되었어요.

 

그런데 여기서 다이오드를 통한 도통은 전력 손실을 야기합니다. 실제로 환류 루트가 필요하면 더 손실이 적은 루트를 만들 수 있지 않을까요?

 

모스펫의 PN junction은 일종의 부산물이라, 이것 자체를 최적화하기위해 모스펫을 설계하지는 않을테니 이 다이오드의 성능은 좋지 않을 수 있습니다..

 

그래서 일부러 모스펫에 성능이 더 좋은 다이오드를 병렬로 붙여주는 경우도 있다고 하네요. 부산물 PN junction보다는 전력 손실이 적게 만들 수 있겠네요!

 

감사합니다.