박막공학 [4] MOSFET의 구성과 작동 원리, 주요 term

 

박막공학 [3] Defect/ 불순물/ 고용 포화도(Solid Solubility)

 

1. MOSFET

 

 MOSFET은 기본적으로 Source, Drain, Gate로 구성된다. Source와 Drain에 V_ds를 가하고 흐르는 전류 I_ds를 Gate Voltage(V_G)로 control 할 수 있다.

 

1-1. NMOS의 작동 원리

 

V_ g = 0 [V]	Gate에 전압을 가하지 않으면, I_ds가 흐르지 않는 OFF 상태가 된다.
V_ g > 0 [V]	Gate에 전압을 가하면, P_ sub의 전자가 전계에 의해 Gate Oxide쪽으로 이동한다.  이때  Vg >Vt일 경우, gate oxide의 하부에 N - Channel이 생성되는데( Inversion 상태 ), 이때 I_ds가 흐르는 On 상태가 된다.

 

Vg와 Vt 관계에 따른 ON/OFF

 

1-2. PMOS의 작동 원리

V_ g = 0 [V]	Gate에 전압을 가하지 않으면, I_ds가 흐르지 않는 OFF 상태이다.
V_ g < 0 [V]	Gate에 전압을 가하면, N_ sub의 전자가 전계에 의해 Gate Oxide쪽으로 이동한다.  이때  Vg < Vt < 0일 경우, gate oxide의 하부에 P- Channel이 생성되는데( Inversion 상태 ), 이때 I_ds가 흐르는 On 상태가 된다.

 

 

 참고로, NMOS와 PMOS의 차이는 inversion시 흘러가는 전하가 electron일 경우 NMOS이고, hole인 경우 PMOS이다.

 

1-3. CMOS

 

CMOS는 NMOS와 PMOS를 합친 것으로, Vg < 0에서는 PMOS가 Vg>0에서는 NMOS가 작동한다. 이때 동작 특성은 NMOS가 PMOS보다 좋다.

Gate Voltage(Vg)에 따른 작동

 

2. MOS Transistor의 주요 Term

2-1. V_T (Threshold Voltage)

 Threshold Voltage(V_t)는 Transistor가 Turn On 되는 Gate의 전압을 의미한다.

 

 Threshold Voltage는 MOSFET에서 채널이 형성되기 시작하는 최소 게이트 전압으로, MOSFET을 켜고 끄는 기준 전압을 의미한다.

 

 

2-2. I_D (Saturation Current)

 Saturation Current(I_D)는 MOSFET이 Saturation Region(포화영역)에서 동작할 때의 최대 Drain Current이다.

 

 이 영역(Saturation Region)에선 Drain Current가 Gate Voltage에 의존하고, V_ds를 증가시켜도 전류가 크게 증가하지 않는다.

 

 I_d가 높으면 전류 구동력이 높고, 빠르게 동작한다.  따라서, I_D를 키우기 위해 mobility와 Cox를 키워야한다.

 

 

산화막 커패시턴스 (Oxide Capacitance, Cox) 

 반도체 공정에서는 산화막 커패시턴스(Cox)를 키우기 위해 노력하는데, 이는 소자의 성능 개선과 공정 최적화 때문이다.

 C_ox를 키울 경우, 채널 형성이 용이해지기 때문에 문턱 전압 조절이 용이해지고, Switching 특성이 개선된다. 또한, 구동 전류가 증가하여 속도가 향상되며, 소형화가 가능해진다.

 

 

 

 산화막 커패시턴스를 키우는 방법은 크게 2가지가 있다.

 

첫째는, 산화막을 얇게 만드는 것이다. 하지만, 두께가 너무 얇아질 경우 Tunneling이 발생할 수 있다.

두번째는, 유전율이 높은 물질을 사용하는 것으로, 대표적으로 High -K 유전체를 사용하는 방법이 있다.