반도체 소자 [6] MOSFET (2) 문턱 전압
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MOSFET의 정의
FET는 Field - Effect - Transistor의 약자로, '전기장에 의해 동작을 결정하는 트랜지스터 소자'를 의미한다.
MOSFET은 MOS 구조를 가진 FET으로, MOS 커패시터의 반도체 양단에 소스, 드레인 단자가 형성되어있는 소자이다. 게이트와 기판의 MOS Capacitor동작으로 기판과 산화물의 계면에 캐리어를 형성하고, 소스와 드레인 사이에 형성된 전기장으로 채널에 형성된 캐리어를 제어하는 소자이다. 즉, 전압을 이용하여 전류를 조절하는 전계효과를 이용하는 반도체 소자이다.
처음 스위치로 쓰였던 반도체 소자는 BJT(바이폴라 접합 트랜지스터)였다. 1948년에 처음 만들어진 BJT는 다수 캐리어가 전자인 n형 반도체와 다수 캐리어가 정공인 p형 반도체를 직렬형태로, 이미터(Emitter)-베이스(Base)-컬렉터(Collector)를 npn/pnp 형태로 만들었다. 이 BJT 소자는 기본적으로 전류를 제어하여 스위칭하는 소자로, 높은 증폭 능력을 가지고 있고 노이즈가 적으나 전력소모가 지나치게 크다는 한계가 존재했다.
이러한 전력소모의 한계 극복을 위해, MOSFET이 등장했다. MOSFET은 출력 전류를 게이트의 입력 전압으로 제어하는 전압소자이다. 전압만으로 채널의 전도율을 바꾸기 때문에 이론적으로는 전류가 흐르지 않으며, 흐르더라도 채널의 표면에만 흐른다. BJT와 비교하여 증폭능력이 떨어지는 한계가 있어, 전류가 적게 흐르기 때문에 처음에는 널리 사용되지 못하였다. 그러나, 낮은 전류로 인해 적은 표면 소비 전력, 높은 속도의 동작으로 인해 소자 미세화를 구현할 수 있어 널리 사용되게 되었다.
MOSFET은 크게 4가지의 단자로 구성되어있다.
1. Gate(게이트)
- 전압을 인가하는 단자로 채널의 연결 여부를 결정한다.
- Metal 전극과 산화막으로 구성된다.
2. Source(소스)
- 전하의 공급원이 되는 영역이다.
3. Drain(드레인)
- 전자가 이동하면서 빠져나가는 단자이다.
4. Body(바디)
- 반도체 기판 역할을 하는 영역이다.
- 일반적으로 p형 기판이나 n형 기판으로 만들어졌다.
MOSFET은 소스와 드레인 사이에서 흐르는 전류의 양을 게이트에 인가되는 전압의 양을 통해 조절한다. MOSFET은 크게 도체(Source, Drain, Gate)와 부도체(gate-insulator), 그리고 반도체(p-substrate)의 접합으로 이루어져있다.
MOSFET은 채널의 극성에 따라 2가지의 종류로 구분되는데, n형 MOSFET(nMOSFET, nMOS)과 p형 MOSFET(pMOSFET, pMOS)으로 구분한다.
MOSFET의 앞에 붙은 n과 p는 채널의 극성에서 가져온 것으로, 'on' 상태를 기준으로 nMOS의 채널에는 전자가, pMOS의 채널에는 정공이 존재한다. 반도체 기판을 p형 반도체를 사용한 MOS 커패시터의 채널에는 반전 상태에서 전자가 형성되는 데 이들의 원활한 이동을 위해 소스와 드레인도 n형 반도체로 구현한다. 이러한 소자를 nMOS라고 한다. pMOS는 nMOS와는 반대로 n형 반도체를 사용한 것을 의미한다. 동작도 반대로 작동한다.
MOSFET의 동작 원리
FET은 전자나 정공들이 이동하는데, Source 단자로부터 나와 기판을 거쳐 Drain 까지 도달한다. 이들 중간에는 공핍 영역을 2군데, 그리고 골짜기인 기판을 거쳐야한다.
이동하는 Carrier인 전자나 정공의 수는 약 10^20 ~ 10^22개/cm^3이다. 보통 10^20/cm^3개는 되어야 전류로써의 의미를 가진다.
Source와 Drain 단자 사이에는 Substrate(기판)이라는 골짜기가 존재하는데, 이 골짜기를 지나기 위해서는 다리가 필요하다. 따라서, Gate 단자에 (+) 전압( NPN일때)을 걸어 MOSFET이 n-Channel을 만들도록 해야한다. 이 다리가 이어지면 ON상태가 되고 다리가 없어지면 OFF가 된다. Source에서부터 다리를 놓으며, Drain 전압에 이끌려 다리가 Drain 단자까지 이어진다.
따라서 Source 단자에는 0 [V]로 전압을 걸지 않고, Drain 단자에는 일정 수준의 (+) 전압을 걸어 전압차를 만들어 전자들이 이동할 수 있게 한다. 두 단자 사이의 전압차이가 많이 날수록 전자들은 동일한 시간에 더 많이 이동할 수 있다.
N형이든 P형이든 모든 단자는 Major Carrier와 Minority Carrier 를 동시에 보유한다. 반도체의 다수 캐리어는 소수 캐리어와는 항상 정반대로 이동한다. NPN형 MOSFET에서 처음 출발은 다수 캐리어인 전자들이 움직이도록 전압을 세팅한다. 4가-5가 결합(n형)으로 생성된 잉여 전자는 외부에서 실리콘의 최외각 전자를 떄어내는 힘의 1/25 정도의 약간의 에너지를 주어도 공유 결합된 분자로부터 쉽게 탈출한다.
이를 통해 Source에 있던 다수 캐리어인 전자는 Drain의 (+) 전압에 끌려, 전자 구름다리를 건너 Drain으로 들어간다. 구름다리를 건너는 전자들이 기판으로 들어가서 기판에 있는 소수 캐리어인 전자들과 숫자를 합하며 많은 숫자로 Drain에 종착하게 되고, Drain에는 이미 전자가 다수 캐리어로 많이 존재하고있다.
Carrier들은 전자든 정공이든 모두 Source에서 출발하여 Drain으로 도착하기 떄문에 Source와 Drain사이에서 흐르는 전류방향은 NPN인 경우 PNP Type과 반대가 된다.
FET은 하나의 트랜지스터이기 때문에, 하나의 칩에 수많은 트랜지스터가 개별적으로 정상 작동 해야한다. 따라서, 모든 FET의 독립을 보장하기 위해 수많은 소자인 트랜지스터들 사이를 유효하게 격리시키는 것이 중요하다. 전체 칩의 동작을 의도하는 대로 관리하려면 FET과 FET 사이의 전자와 정공의 이동이 전혀 없도록 철저한 절연과 사전에 계획된 도체 라인을 통해서만 전자와 정공이 움직이여 한다. 소자간의 무분별한 캐리어 이동을 막기 위해서는 강력한 절연막이 필요하는데, 반도체 공정에서는 거의 완벽하게 절연이 가능한 SiO2 산화막을 사용한다.
전자와 정공의 이동
전자의 이동방식은 정공과는 약간 다른데, 전자는 어떤 방향이든 자유롭게 직진으로 이동하다가 다른 원자의 원자핵이나 전자들과 부딪치면 그 즉시 직진하던 반대방향으로 꺾인다. 전체적으로는 농도 방향이나 전압 방향이 설정되면 점차 확산 되는 형태로 목표를 항해 나아가는데, 이러한 직선 운동을 모두 합하면 일정한 방향성을 가진다. 이것을 Random(랜덤) 확산 전류 혹은 Drift 전류라고 한다.
정공의 경우, 정공은 실체가 있는 입자가 아닌 전자가 있어야 할 자리에 전자가 없는 것이다. 이러한 정공의 빈공간을 1차로 전자가 채우게 되면 앞서 이동한 1차 전자가 이동하기 전에 있던 원래 위치의 공간이 빈공간으로 변하며 전공이 된다. 그러면, 옆에있던 전자가 2차로 또다시 생성된 정공을 채우면서 연속적으로 정공이 생성된다.
즉, 정공은 전자의 이동과는 반대로 움직이며 징검다리를 건너는 것처럼 이동한다. 전자는 이동할 자리를 내다보고 이동하기 때문에 이동 시 전자 이동처럼 충돌하지 않으며 근본적으로는 정공의 이동은 전자 이동의 결과라고 볼 수 있다.
마지막으로 MOSFET의 작동 원리를 정리한 사진이다.
https://news.skhynix.co.kr/post/mosfet-horizontally
[반도체 특강] MOSFET, 수평축으로 본 전자들의 여행
MOSFET의 수평방향으로 작용하는 동작을 좀 더 깊숙이 들여다 보면 FET(Field Effect Transistor)은 수평축으로 전자를 이동시키는 역할을 합니다
news.skhynix.co.kr
참고 자료이다.
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