반도체 소자 [10] MOSFET (6) Channel(채널)과 증가형 / 공핍형

 

반도체 소자 [9] MOSFET (5) MOSFET에서의 I-V 특성 (Pinch-Off/ Saturation)

 

 

 

 이번 내용은 SK 하이닉스 뉴스룸의 내용을 요약 및 정리하였다.

[반도체 특강] Channel, MOSFET라는 세상의 다리

 

 

 

 

 

 MOSFET은 인간이 만든 생산품 중 가장 많이 팔린 제품이다. 하지만, 이런 MOSFET도 초창기에는 주목을 받지 못하였지만, 문제점들을 잘 개선한 후 원조 트렌지스터인 BJT보다 성능과 집적도 면에서 월등히 앞서게 되었다.

 

 Gate의 존재 이유는 무엇일까?

 

 gate는 Source와 Drain 사이에 '채널(Channel)이란 다리'를 놓는다. 이 다리는 캐리어만 통과시키는 특이한 성질을 가지고 있다. 오늘은 이 다리에 대해 중점적으로 알아보도록 하자.

 

 

1. 증가형 MOSFET에서의 채널의 형성 조건

 

 채널은 Substrate(기판) 층에 존재하되, Oxide 층과 Sub 사이인 경계면에 형성된다.

 

 채널이 제 역할을 하기 위해서는 '2가지 조건'이 필요하다.

 

 첫째는 채널이 들어갈 MOSFET 내의 물리적 공간이 필요한 것이고, 두번째는 외부에서 Gate에 적절한 전압을 인가하여야 한다. 추가적으로, 채널은 짧은 시간에 다양한 변화를 제어할 수 있어야 한다.

 

 

 

 이러한 채널은 소수 캐리어가 모여서 연결되며 다수 캐리어가 Source 에서 Drain으로 이동하는 다리가 된다.

 

 전자가 넘어갈 N-type의 다리를 N Channel이라고 하고, 정공이 넘어갈 p type의 다리를 P channel 이라고 한다. 만일 전자가 지나갈 다리가 p type의 hole로 구성되면, 전자와 정공이 동시에 상쇄되어 전자가 건너지도 못하고 다리도 끊어지게 된다.

 

2. 채널을 중심으로 한 단자들의 Type 결정

 채널을 활성하는 Layout을 위해서는 밑바탕에 채널 Type과 반대 Type의 기판을 두고, Source와 Drain을 채널 Type과 같은 type의 불순물 반도체로 구성한다. 기판 위에는 type과 상관이 없는 강력한 절연층인 산화막(Oxide Layer)을, 그리고 그 위에는 도전층인 Poly-Si을 타설한다.

▲Channel을 중심으로 한 각 단자 별 Type

 채널 타입이 정해지면, 나머지 단자들의 타입이 차례대로 결정된다.

 

 예를 들어 n channel이면 기판은 p type이고, Source와 Drain은 n type이 된다. 이는 타입이 항상 인접한 단자와 반대 불순물 타입으로 구성되기 때문이다.

 

 

3. 증가형과 공핍형 (Channel 형성 방식에 따른)

  MOSFET은 채널을 바라보는 관점에 따라 여러가지로 나뉜다.

 

 '채널을 형성하는 방식'에 따라 살펴보면 증가형(Enhancement)과 공핍형(Depletion)으로 구분할 수 있다. 

 

▲ E-MOSFET(증가형)과 D-MOSFET(공핍형)

 

 증가형(Enhancement)은 채널이 없는 공백 상태에서 채널을 서서히 증가시켜 드레인 전류량을 늘릴 수 있도록 조절하는 모델이다.

 

 공핍형(Depletion)은 이미 형성된 채널 속에 공핍층을 생성시키고 서서히 좁히는 방식으로 드레인 전류량을 약하게 하여 조절하는 모델이다.

 공핍형은 FAB 공정 진행 시 채널을 미리 형성시켜 동작하는데, 이때 최대 드레인 전류치가 정해진다. 이러한 공정으로 인해 Mask와 공정 Step이 추가로 증가하게된다. 이는 증가형 MOSFET보다 원가가 높아지는 원인이 됩니다. 따라서 특별한 기능이 필요한 곳이 아니면, MOSFET은 증가형을 주로 사용한다.

 

4. 채널과 각 단자에 인가되는 전압의 상관관계

채널 타입에 따라 Gate/ Source/ Drain/ Bulk 단자에 인가하는 전압의 극성도 결정된다. 트렌지스터를 동작시키 위한 외부 전압은 Gate 전압이 가장 중요하다. 그리고 Gate 의 전압 변화에 가장 민감하게 반응하는 것이 바로 Channel이다. 채널의 두께나 길이도 Gate 전압에 따라 동기화된다.

 

▲ Channel을 활성화시키기 위한 각 단자에 인가하는 전압 극성

 

 nMOSFET의 경우 전자를 끌어와야하는 Drain에 (+) 전위를, 전자를 내보내야 하는 Source에는 Drain 보다 낮은 전위(보통 0 전위)를 걸어준다. Gate는 전자다리인 채널을 만들어야 하므로, (+) 전위를 걸어준다. 기판(Substrate)에는 Source와 같은 전위나 Bulk를 보호하기 위해 Source보다 낮은 (-) 전위를 걸어준다.

 

 

 

5. 4 종류의 MOSFET 알아보기

 

 증가형(E-MOSFET), 공핍형(D-MOSFET) 모두 채널을 n_type과 p_type으로 세분할 수 있다. 즉, MOSFET은 모든 옵션을 고려했을 때 4 가지가 된다. Source와 Drain 사이에 전자 다리가 연결되면 n type channel MOSFET(nMOSFET)이 되고, 통로로 Hole이 연결되어 다리를 이루면 pMOSFET이라고 한다. 

 

▲ 증가형 nMOSFET(전자다리)과 증가형 pMOSFET(정공다리)

 

 특히, 증가형 nMOSFET과 pMOSFET이 한 쌍을 이뤄 cMOSFET을 구성하는데, 이 CMOS는 반도체의 기본동작인 on/off를 결정하는 핵심 소자가 된다.

 

 이제 증가형 n MOS과 p MOS의 형성과정을 알아보자.

 

5.1. 증가형 nMOSFET의 채널 형성과정

 

1) 공핍 단계

 

 

 전형적인 MOSFET인 증가형 nMOSFET으로 예를 들어 설명해보자. 

 

 Source와 Drain 단자를 0[V]로 놓고 Gate에 인가되는 전압을 계속해서 증가시키면 n Channel이 점차 두꺼워진다. 이때 두꺼워지는 채널을 관찰해보면 2-3가지의 단계를 거친다.

▲ 초창기 약한 Gate전압에 의한 Bulk내에 공핍영역 발생

1. Gate의 약한 (+) 전압에 의한 bulk 내의 양전위 기울기 (Gate에서 멀어질수록 전위가 떨어짐)에 의해 Gate 가까이 있는 3족 원소들의 최외각 전자들이 에너지를 받아 공유결합에서 약간 빠져나온다.

2. 최외각 껍질에서 빠져나온 전자들이 아직 공유결합된 원자들의 인력 영향권 내에서 자유롭게 벗어나지 못한 상태(낮은 Gate 전압)으로 공유결합 주위를 서성인다.

3. 이렇게 만들어진 영역으로 인해 공핍 영역이 형성된다.

 

 

 Gate에서 멀리 떨어져있는 공유 결합들은 gate 전위 에너지가 충분하지 못하여 원자로부터 탈출하지 못한 전자들이 쌍극자(전자들이 Gate쪽으로 조금 더 많이 몰려있음)와 같은 형태로만 행동을 취한다.

 

 

2) 반전(Inversion) 단계

 

 이때 인가된 Gate 전압을 계속해서 높이면 어떻게 될까?

 

 Gate 전압이 Vth(문턱전압, Threshold voltage)을 넘어서면, Bulk 내의 소수 캐리어인 전자들이 Oxide-sub 경계면으로 모여든다. 이때 약한 반전층이 형성된다.

 

▲높은 게이트 전압에 의한 전자반전층(Electron Inversion Layer) 생성

 이 반전층(Inversion Layer)이 두꺼워지면, Source에 있던 전자들이 건너가는 다리가 된다. Vgb(Gate-bulk 전압)을 더욱 올리면, 기판 전자들이 그에 비례하여 Gate를 향해 더욱 많이 모여든다. 반전층이자 전자 다리가 더욱 튼튼해지면, Source의 전자들이 건너기에 충분한 두께가 된다.

 

 이 반전층은 n type의 다수 캐리어인 전자들의 숫자보다도 밀도가 높아져, 이 sub 영역은 p type의 반도체이면서 마치 n type의 반도체 처럼 보이게 된다. 만일 이때 Vgb를 제거하면 반전층도 즉시 없어진다.

 

5.2. 증가형 pMOSFET의 채널 형성과정

 pMOSFET도 굉장히 유사하지만, Vgb에는 (+) 전압이 아닌 (-) 전압을 인가해 기판 내의 5족-4족 공유결합 속 존재하는 잉여 전자들을 뽑아낸다. 나머진 nMOSFET과 유사하지만, 반대의 극성을 가진다.

 

 즉, -Vgs(gate-Source 전압)가 인가되면 n type의 Substrate 내의 Gate 가까이에 있던 5족 - 4족 공유 결합원자들의 최외각 전자들이 원자 내의 기저상태에서 천이하여 원자핵의 지배로부터 이탈한다.

 

▲ 증가형 pMOSFET의 정공Channel 형성과 Id방향

 

 

높은 게이트전압의 전위에너지에 의하여 5족-4족 공유결합에서 빠져나온 전자들은 원자격자들 사이에서 비교적 자유롭게 이동한다. –Vgs가 더욱 증가하면 전자들의 이동이 활발해지고 Gate로부터 더욱 멀어진다. 전자들을 빼앗긴 5족-4족 공유결합(Gate에 인접한 원자들)들이 많아지면서 양이온 층이 두껍게 형성된다. 

 결국, 이 층이 Hole 반전층이 되며, 이렇게 형성된 정공 다리(Hole 반전층)를 건너는 주체는 p_type Source의 다수 캐리어인 정공이며, 방향은 Drain 단자 쪽이다.

 

 따라서 pMOSFET에서의 드레인 전류의 방향은 nMOSFET와 반대로 나타납니다.