반도체 특강 [3] 20세기 최고의 발명품, 점 접촉 트랜지스터
반도체가 비교적 다른 발명품보다 늦게 등장한 이유는 절연체, 반도체, 도체 틍성을 갖는 물체들을 서로 연이어 붙일 때 두 개의 물성 간에 화학적 접합이 어렵기 때문이다. 물리적 접합은 2가지
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세 개의 몸통으로 구성된 트랜지스터는 두군데에서 결정면이 존재한다. 마치 3개 영역으로 구성된 캐나다- 미국 - 멕시코 간에 2개의 국경선이 설치되어있는 것과 같다. 반도체 혹은 트랜지스터 내부에서 일어나는 일의 많은 부분은 '경계면'을 사이에 두고 발생하기 때문에 경계면의 형성 과정과 계면 주변의 변화를 알고 나면 트랜지스터를 보다 더 쉽게 이해할 수 있다.
1. FET
FET에서는 Source 단자와 기판(substrate)이 서로 맞닿아 있는 부분인 Junction양쪽으로 일정한 두께까지는 '결핍영역'이라는 비활성 영역이 생성된다. 이는 Drain 단자와 기판 사이도 마찬가지인데, 결핍 영역이 생성된 이후에는 결핍 내부에서 더이상 자생적으로 발생하는 Carrier는 존재하지 않는다. 외부의 Input이 없는 한 더이상의 캐리어가 활동하지 않는 조용한 지역이 된다. 그러나, 결핍 영역(공핍층)에서는 서로에게 계속적으로 전계를 행사하면서, 상대방을 주시하고 있는 긴장관계에 있다.
2. 공핍층
'결핍' 혹은 '공핍'이란 직설적으로는 활성화된 이동자가 없으며, 상대방을 공격할만한 캐리어가 모두 소진되었다는 뜻이다. 불순물 반도체인 단자의 내부에는 이동자(Carrier)들이 많은데 결핍영역에 캐리어가 없는 이유는 이미 source 단자의 전자 캐리어와 기판의 정공 캐리어가 서로 상대방 지역으로 넘어갈 만한 캐리어는 이미 넘어갔기 때문이다. 단, 이때의 전제 조건은 Source 단자와 기판 사이는 화학적 결합이 되어있어야 한다.
3. 다수 캐리어의 원동력; 농도 차이에 의한 확산 에너지
이러한 소멸 이동은 외부의 어떤 전압이 인가되지 않은 상태에서 자체적인 확산 에너지만으로도 자생적으로 발생한다. N+ Source단자, P-substrate(기판), N+ Drain단자가 화학결합이 되면 다수 캐리어인 전자와 hole의 농도 차이에 의하여 높은 농도 영역에서 낮은 농도 영역으로 캐리어들이 확산되어 나아간다.
그러나 엔탈피가 고체보다 높은 유체 속에서의 확산은 유체 전체 지역으로 확산되지만, 고체 내에서의 확산은 캐리어가 어느정도 진격하다가 확산 에너지가 떨어지면 상대방의 영역에서 더이상 나아가지 못하고 그 자리에서 멈춘다.
4. 공핍층을 만드는 다수 캐리어 이동 Mechanism
Source Junction을 기준으로 좌우를 살펴보자.
(N+ Source 단자의 다수 캐리어인 전자의 농도) > (P-sub 내의 Minor carrier인 전자의 농도)
▶ 전자가 ' N+ Source 단자→ P-sub'로 이동하고,
(P-sub의 다수 캐리어인 hole의 농도) > (N+ source 단자 내의 Minor Carrier인 hole의 농도)
▶ hole이 'P-sub → Source 단자'로 확산되어 들어간다.
Drain Junction에서도 동일한 이동 매커니즘을 가진다. 소수 캐리어도 이동은 있으나, 소수 캐리어의 영향은 미미하기 때문에 차후에 다루겠다.
전자 캐리어의 확산은 여기(에너지를 얻은 상태)되어 원자핵의 사정거리에서 벗어난 자유 전자가 '직진형 랜덤(Random) 운동 형태'로 이동한다. 이동 경로와 방식이 간단하다. 반면, 정공 캐리어의 확산은 인접 원자의 최외각 전자가 옆에 있는 정공 속으로 뛰어 들어오는 동작형태이다. 이는 Waiting- Jumping인 징검 다리 이동으로 이동 속도가 전자 이동에 비해 상대적으로 늦다.
동일한 거리 조건이라면, hole을 채우는데 소요되는 에너지는 원자를 떠난 자유전자가 원자 내에 묶여있는 인접 최외각 저자에 비해 더 적기 때문에 자유 전자가 hole로 들어가기가 더 쉽다. 그러나 두 소립자(원자핵-전자)간의 서로 당기는 인력은 거리의 제곱에 반비례한다.
따라서, (자유전자와 hole간의 평균 거리) > (인접 최외각 전자와 hole간의 평균 거리) 이므로, 인접 최외각 전자와 hole간의 인력이 더 크다. 결국 hole을 기준으로 볼 때, hole을 채우는 개체수는 자유전자보다는 인접 최외각 전자가 더 많이 기여한다.
5. 음의 Acceptor 이온, 양의 Donor 이온
공핍 영역에서의 원자의 입장을 보면, 전자를 기준으로 전자를 내준 원자는 Donor, 전자를 받은 원자는 Acceptor라고 한다. P-sub 내의 Source Junction 에 인접해 있는 원자는 처음의 중성상태였다가 전자를 받아서 1개 전자 전햐량만큼 증가된 음의 Acceptor 이온으로 변한다.
반면, N+ source 내의 Js에 인접해있는 원자는 중성상태였다가 전자를 내주며 Donor가 양이온으로 변한다. 전자(중성원자에 소속) 들이 hole(중성원자에 소속)을 메우면, 그 즉시 전자와 정공은 동시에 소멸하면서, 전기적으로 음성과 양성이 편을 갈라선다. 확산 에너지가 전계에너지로 변환되는 것이다.
이 경우 극성에 의한 인력 << 원자핵에 의한 인력이다.
즉, 1개 전자로 인한 인력보다 최외각 전자궤도를 2N^2(N= 궤도 순번)으로 안정화시키는 힘이 더 크다고 할 수 있다. 그리고 인접 최외각 전자의 이동로도 2가지의 경로가 발생된다. 하나는 궤도 간의 직접이동이고, 다른 하나는 인접 최외각 전자가 상온에서 여기되어 원자를 탈출하였다가 바로 인접된 원자핵의 인력에 이끌려서 hole로 들어가는 경로이다.
6. 확산 에너지와 전계 에너지
원자 level이 아닌, 원자가 집단을 이룬 광대한 영역인 단자에서 생각해보자.
N+ source/ Drain 단자는 불순물 반도체일지라도 일단 반도체 공정에서 termination으로 형성될 당시는 모두 중성상태가 된다. 다만 N+ 단자는 P-sub(정공 이동)에 비하여 외부에서 작은 에너지만 인가해도 전자가 쉽게 여기할 수 있고, 순수 반도체 재질로부터 전자를 뽑아내는 것에 비하여도 더더욱 쉽다.
다수의 전자가 N+ source로부터 인해전술로 확산해오면, 계면에 접한 P-sub은 가까운 곳에서부터 음극(-) 단자화되고, N+ 단자의 Js 근방 영역은 전자들이 빠져나가 양극(+) 단자로 변한다. 그러면 N+ type 단자의 공핍 영역(양극 단자)과 P-sub의 공핍 영역(음극 단자) 사이에는 전계가 형성된다. 이렇게 형성된 전계방향은 확산 에너지가 작용하는 방향과 정반대가 된다. 또한, 확산 현상이 지속될수록 캐리어가 많이 이동하여 전계가 강해지는 효과가 있다. 결국 확산 에너지가 평형을 이루는 시점에서 캐리어의 확산이동이 멈춘다.
7. 콘덴서 기능을 하는 공간전하영역
공핍층은 '공간 전하 영역' 또는 '공간 전하층'이라고 불린다. 이는 junction 양 옆에 인접된 2개의 공간전하영역이 콘덴서 역할을 수행하기 때문이다. 서로 다른 캐리어들이 상대방 영역으로 들어가서 더이상 움직이지도 않고 정체한 채로 공간에 양/음 전하를 쌓아놓은 모양새이다. 따라서 이때에 영향을 미치는 Capacitance는 거리에 반비례하고 단면적에 비례하므로 FET구조가 미세화될 수록 용량은 작아진다. 물론 어떤 단자들의 재질을 사용하느냐에 따라 용량 상수인 ε값이 변동하여 그에 따라 전체 용량값이 약간의 차이가 나게 된다. 공핍층에 의하여 전계가 형성되었다는 말은 공간전하영역이 Capacitor 기능을 한다는 것과 같은 말이다.
MOSFET 트랜지스터, 특히 MOSFET를 이용한 NAND Flash 메모리는 수직축, 수평축, 대각선축 등 사발팔방으로 전하들이 쌓이는 용량 덩어리이다. 메모리 기능을 기준으로 볼 때 긍정적으로 작용하는 용량 형태도 있지만 MOSFET의 미세화로 인하여 전체적으로 용량값을 줄이는 방향이므로, 적절한 용량을 갖도록 재질과 구조를 선택하는 것이 아주 중요하다.
공간 전하층의 두께나 용량값이 달성하고자 하는 목표값과 차이가 날 경우, 웨이퍼 몇 천장을 버려야 하는 상황이 되기도 하므로, 칩 설계 전후와 구조를 만드는 과정들의 단계별로 눈에 보이지 않는 공핍층을 눈에 보이는 숫자로 계산을 철저히 하여야 한다.
8. 불순물 타입 별 공핍층의 두께
외부 전압이 미인가하는 경우, 공핍층의 총 형성 두께는 두 Junction Js와 Jd 모두 동일하다. (Source와 Drain 단자의 N+ 농도가 같을 경우)
그런데 단자 별로 나누어보면, 농도가 높은 N+ type source 단자의 전자 군사가 상대적으로 농도가 적은 P-type 기판의 정공 군사보다도 개체 수가 더 많이 발생된다. 그래서 정공들이 Source 단자를 침투한 영역보다는 전자들이 P-sub를 더욱 깊이까지 들어간다.
이는 단자들의 태생부터 농도차이를 두었기 때문에 어쩔 수 없다. 공핍층 두께는 대체적으로 단자 전체 영역에 비하여 매우 작게 형성되도록 사전에 계산하여 Ion Implantation 공정의 불순물 농도나 FET 구조 등등을 거꾸로 공핍층 두께에 맞추어 설정하는 Feedback 설계를 한다.
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