MOSFET - 기본 구조 및 동작, Threshold voltage

1. Basic NMOS의 구조와 동작 원리

 

 

- MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) : 굳이 풀어 쓰면 금속-산화 반도체 전계 효과 트랜지스터. 

 

ㄴ MOS? : 도핑된 반도체 기판 위에 SiO2로 된 절연층과 금속이 적층되어 있는 구조를 나타내는 말이다(MOSFET 개발 초기에는 게이트를 금속 소재로 사용했지만 최근에는 공정상 편의를 위해 폴리실리콘이 사용됨). 세로 방향으로 보면 금속-유전체-p형 반도체 순서로 적층되어 있음을 볼 수 있는데 이는 capacitor의 구조와 유사하다. 

 

ㄴ FET? : 이번에는 가로 방향으로 구조를 보자.  n+, 즉 고농도로 도핑된 n-type인 source와 drain 사이에 p-type인 body가 존재하는 형태이다. source와 body, drain과 body 사이가 각각 pn접합이므로 depletion layer(공핍층)이 형성된다. 게이트에 전압을 인가하면(NMOS에서 Vgb>0), electric field(전기장)이 형성되고 이로 인해 hole이 다수 캐리어인 body에서 electron이 산화물과 맞닿아 있는 부분으로 끌려오고 hole은 상대적으로 아랫쪽으로 밀려난다. 

 

ㄴ electron 채널의 형성 : gate에 충분한 전압이 인가되면, 절연층 아래에 있는 body 공간은 모두 electron으로 가득 차게 되고 source와 drain 사이를 연결하는 채널(일종의 다리 같은 역할)이 형성된다. 이 때 source와 drain 사이에 전압을 걸어 전위차를 발생시키면 전자가 채널을 통해 source와 drain 사이를 왔다갔다 할 수 있게 된다. 즉 전류가 흐르는 것이다! 

 

 

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2. Basic NMOS의 I-V 특성과 Threshold Voltage(문턱 전압)

 

 

- 앞서 간단히 서술했던 NMOS의 동작원리를 보면, source와 drain 사이에 전류(간단히 I_d라고 표현)가 흐르기 위한 조건이 2가지 있었다.

 

1) electron 채널이 형성될 만큼의 gate 전압   2) source와 drain 사이의 전위차

 

따라서, 동일한 MOSFET 소자라면 I_d 값은 게이트 전압(Vg)과 source-drain 전압(Vds)에 의해 결정되며 이들의 관계를 파악해야 MOSFET의 동작특성을 이해할 수 있을 것이다. 

 

- 그럼 여기서 채널이 형성될 만큼의 전압이란 무엇일까? : Threshold Voltage(Vth, 문턱 전압)!!! Vgs(Vg가 아니라 Vgs가 된 이유는 보통 source의 전압이 3개의 터미널 중 가장 작기 때문에 각 터미널의 전압을 측정할 때 source를 기준으로 함)가 0보다 크다고 하더라도 Vth보다 작으면 electron이 모이긴 모이지만 충분하지 않다. 따라서 source에서 electron이 drain까지 가는데 body를 거치면서 남아있는 hole과 결합해 사라진다. (이를 Weak Inversion이라고 한다.) 하지만, Vgs가 충분히 크게 인가되어 Vth 이상이 되면, 절연체 밑으로 채널이 생성되면서 hole과 결합하지 않고 drain까지 무사히(?) 이동할 수 있다. (이건 Strong Inversion. 따라서 채널을 Inversion layer라고도 한다. 원래 p-type이었던 부분이 n-type으로 반전되었으므로) 

 

- 이제 I-V 그래프를 보자.

 

 

그래프에서 전류값의 경향성에 따라 3가지 영역으로 구분할 수 있을 것이다. 

 

 

1) 전류가 흐르지 않는 구간(그래프에서 원점 왼쪽 구간) -> OFF 영역            2) 전류값이 증가하는 구간 -> Linear 영역            3) 전류값이 더이상 증가하지 않고 일정하게 유지되는 구간 -> Saturation 영역

 

1) OFF 영역

ㄴ 채널이 완벽하게 형성되지 않아서 source와 drain 사이에 전압을 아무리 걸어줘도 electron이 이동할 수 없다. 따라서...

 

Vgs<Vth     &     Vds는 무관

 

2) Linear 영역

ㄴ 채널이 형성되고 전류가 흐르기 시작. Vgs가 커질수록 채널이 두꺼워지면서 더 많은 전자가 이동할 수 있고(=W가 커지면 conductance가 증가), 동시에 Vds에 따라서도 전류값이 결정된다. 즉 Vgs와 Vds 두 전압에 따라 전류값이 결정되는 것. 이 영역에서는 I-V 특성을 선형근사 할 수 있다. 마치 저항처럼. 그래서 Linear라고 부르는 것. 조건과 전류식은 다음과 같다.

 

Vgs>Vth     &     Vds<Vgs-Vth (그래프에서 빨간선 왼쪽)

 

 

 

3) Saturation 영역

ㄴ Pinch-off 현상에 의해 더이상 전류가 커지지 않고, 일정한 값으로 유지된다. 

 

Vgs>Vth     &     Vds>Vgs-Vth (그래프에서 빨간선 오른쪽)

 

 

- Pinch-off 현상 : Vds가 너무 커서 채널을 형성하는 전압(=Vgs-Vth)보다 커지면, body와 drain 사이의 depletion layer가 넓어지면서 형성된 채널의 일부분을 밀어내버린다. 그 결과로, Drain 쪽의 채널이 살짝 떨어지면서(=pinch-off되면서) 일정량의 전류만 겨우 통과하는 상태가 된다. 

 

 

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3. MOSFET의 의의

 

- 게이트 전압을 이용해 켜고 끌 수 있음. 

- Linear 영역에서 선형적이므로, 저항처럼 동작파악 가능. 

- Saturation영역에서 Vgs에 따라 일정한 전류를 얻을 수 있음. -> ☆☆전류원으로 사용가능!!! ☆☆ 올ㅋ