집적회로소자개론 [9] MOSFET

2026.04.17 - [학교 수업/집적회로소자개론] - 집적회로소자개론 [8] MOS Capacitor

집적회로소자개론 [8] MOS Capacitor

 

1. MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effective Transistor)

 MOSFET은 Voltage-Driven Device로, 반도체 산업의 지배적 기술이다. MOSFET은 전압으로 제거하는 것이다. 즉, Gate에 전압만 걸어도 Channel이 생긴다는 것이다. 즉, 전류가 흐르지 않아도 된다는 것이다. 이를 통해 전류로 제어하는 BJT에 비해 Gate에 전압만 걸어도 Channel이 생긴다는 것이다. 이를 통해 전력 소모가 줄고, 집적도를 올릴 수 있다.

 MOSFET이란 MOS Capacitor와 PN Junction 2개가 더해진 것이다. 따라서, MOSFET을 이해하기 위해서는 MOS Capacitor와 PN Junction에 대해 이해하고 있어야한다.

 

2. NMOS의 동작

 

(1)  Vg = 0 

 

 Vg는 0일 때, 아무일도 일어나지 않고 단지 PN junction Depletion만 존재한다.

 

(2) 0 < V_g < V_T

 

 Gate가 전자를 끌어당기지만, 아직 채널은 없는 상태이다. Depletion Region 만 증가한다.

 

(3) V_g > V_T

 

 이때, Inversion이 발생하고, P-type이 N-type으로 바뀐다. 그 결과, Source와 Drain이 연결되고 Channel이 형성된다. 하지만 아직 Vd = 0 이기 때문에 밀어줄 힘이 없어 전류가 흐르지 않는다.

 

(4) V_D가 아주 작은 상태 = Linear Region

 

 채널이 완전히 연결된 상태로, Channel은 저항처럼 동작한다. 즉, 전류와 전압은 비례한다.

 

(5) V_D가 증가

 Drain 쪽 전자가 빨려나가면서, Channel이 점점 얇아진다. 

(6) Pinch-Off

 위의 조건을 만족할 때 Drain 쪽 Channel이 끊기는 현상이다. 다만, Channel이 완전히 끊긴 것이 아니기 때문에 전자들은 여전히 이동한다. Depletion 영역을 통해 쓸려간다.

 Pinch-Off 이후에는 전류가 더이상 증가하지 않는 Saturation Region이다. Saturation Region에서는 채널이 감소하여 전류가 늘여나려는 현상과 전기장이 증가하여 전류가 늘어나려하는 두 효과가 서로 상쇄된다.

 

3. Output Curve (I_D vs. V_D) and Transfer Curve(I_D vs. V_G)

3-1. Output Curve

3-2. Transfer Curve

 

4. MOSFET을 Energy band 관점으로 알아보자

4-1. A-A'

이건 MOS Capacitor와 완전히 동일한 개념이다. A-A'에서 채널이 생기냐 안생기냐를 결정하는 것이다.

 

 

 

4-2. B-B'

이 개념은 MOS Capacitor에 없는 개념으로 MOSFET에서만 등장하는 개념이다. 즉, 전류가 실제로 어떻게 흐르는 지를 결정한다.

따라서, A-A'와 B-B'가 있어야 채널이 생성되고 전류가 흐른다.

 

 Pinch-Off를 에너지로 보면, 드레인 쪽에서 Band가 급격하게 꺾이면서 채널이 사라진것처럼 보이지만 하지만 실제로는 강한 전기장이 전자를 빨아들인다. 그러므로, 전류는 채널 전체가 아니라 Source 근처에서 결정된다.

 

5. MOSFET Mobility

우리가 원래 알고있던 Mobility는 다음과 같다.

 

v_d​=μE

 

하지만 이것은 Bulk(덩어리)기준이다. MOSFET에서는 전자들이 Si 내부가 아닌, 표면(Si-SiO2)에서 움직인다. 하지만, 여기서 문제가 발생하는데, 게이트 전압이 커지면 전자들이 표면으로 더 세게 끌려가며 전자들이 거친 Interface를 따라 이동한다. 표면은 울퉁불퉁하고, Trap과 Defect이 존재하고 Scattering이 심해져 계속해서 부딪힌다.

 

 따라서, Effective Mobility라는 개념이 등장한다.

Effective Mobility(μ_eff) : 실제로 채널에서 흐르는 전자의 평균 Mobiltiy

 

 

Gate 전압이 증가하면, 직관적으로는 전자가 많아져 전류가 올라갈 것 같지만 동시에 전자들이 더 표면에 붙어 Scattering이 증가하고 Mobility가 감소한다. 

 

6. Enhancement vs. Depletion MODE

 Enhancement Mode와 Depletion Mode에 대해 알아보자. 

Enhancement / Depletion MODE

 

Enhancement mode는 기판은 Channel이 없는 상태이기 때문에 0V에서 전류가 흐르지 못한다. 이에 반해, Depletion Mode는 Channel영역이 n-type으로 이미 도핑되어 있어, Source와 Drain 사이에 길이 이미 존재해 Gate가 없어도 normally On되어있다.

 

6-1. Transfer/ Output Curve의 차이

Enhancement MODE	- VG​<VT​ → 전류 거의 0 - VG​>VT​ → 전류 증가
	VG​ 없으면 아무 곡선도 없음
Depletion MODE	- V_G​=0에서도 전류 존재 - V_G<0V가면 전류 감소
	VG​=0에서도 이미 곡선 존재