2. Introduction to MOSFET / Device Physics

MOSFET에 들어가기 전에 알아야 할 부분을 간단하게 포스팅하고 지나가겠습니다.

1. MOSFET의 구조

<MOSFET의 구조>

MOSFET의 구조는 MOS CAPACITOR에 Source와 Drain을 추가해서 Transistor를 만든 것이 MOSFET입니다. N+Gate와 P-Body MOS CAPACITOR에 N+로 강하게 Doping된 Poly-Si을 추가해서 Source와 Drain을 만듭니다.

N+ Poly-Si을 P-Body에 Source와 Drain으로 만드는 이유는 MOSFET의 Body에 PN Junction을 만들어 Source나 Drain의 Electron들이 Body로 흘러가지 않도록 하기 위함입니다. 즉, Body로 흐르는 Leakage Current를 막기 위해 Body의 타입과 반대되는 타입의 불순물을 Doping하여 PN Junction을 만드는 것입니다.

 

PN Junction을 만들었기 때문에 바로 위의 Energy Band Diagram은 Source와 Body사이, 그리고 Drain과 Body사이에 Built-in Potential이 생기게 됩니다. 이런 에너지 장벽이 존재하기 때문에 Equilibrium 상태에서 Source에서 Body로, 그리고 Drain에서 Body로 Electron이 이동할 수 없게 해주는 효과를 가집니다.

MOSFET의 동작은 이 문턱을 낮추어 주는 것에서부터 시작합니다. 즉, Body와 접한 Gate 부분에 전압을 가해주면 Built-in Potential이 감소하게 됩니다.

Gate에 전압을 가해주게 되면 위의 Energy Band Diagram처럼 Built-in Potential이 감소하게 됩니다. 에너지 장벽이 낮아지게 되었으므로 Electron이 이동하기 쉬운 환경이 됩니다. MOS CAPACITOR의 관점에서 본다면, Gate에 (+) 전압을 가해주었기 때문에 Surface에 Minority Carrier인 Electron이 많이 모여서 Channel을 형성한 상태인 Strong inversion 상태입니다.

동일한 상황을 다른 두 관점으로 다시 정리해드리면, 다음과 같이 말씀 드릴 수 있습니다.

① Built-in Potential이 낮아져 Electron이 이동하기 편한 상태

② Gate에 (+) 전압을 가해서 Surface에 Electron이 많이 축적된 Strong Inversion 상태

이러한 상태일 때, Drain에 Source보다 상대적으로 높은 (+)전압을 가하면 Source에 있던 Electron이 정전기적인 힘에 이끌려 Drain으로 이동하게 됩니다. 즉, 전류가 흐를 수 있게 되는 것이지요.

전체적인 흐름을 다시 정리하자면 다음과 같습니다.

① Gate에 전압을 가해서 Channel을 만들어 Electron이 통과하기 쉬운 상태로 만들어준다.

② Source와 Drain에 특정한 전압을 가해서 정전기적인 힘으로 Source에 있는 Carrier으로 Drain으로 끌고온다

2. MOSFET의 I-V Characteristics

 

<MOSFET의 I-V Curve>

MOSFET은 다음과 같은 전류 특성을 띄게 됩니다. 크게 두 가지 영역으로 나눌 수 있겠습니다.

① Linear Region(Triode Region)

위의 곡선에서 선형적으로 증가하는 영역을 뜻합니다. 이 영역에서는 Drain 전압 VD가 증가할수록 Drain Current ID 역시 증가하는 모양을 보여주고 있습니다. 가물가물하지만, 제 기억으로는 이 영역에서는 MOSFET을 그리 많이 동작시키지 않았던 것으로 기억하고 있습니다. 왜냐하면 Drain Current ID에 관여하는 전압이 Gate 전압 Vg와 Drain 전압 Vd로 두 가지가 관여하기 때문에 문제가 발생하기 때문이죠.

② Saturation Region

MOSFET을 주로 동작시키는 Saturation Region입니다. 이 영역에서는 Drain 전압을 증가시켜도 ID가 일정하게 유지되는 상황, 즉 ID가 Saturation되는 상황이 발생합니다. Drain Current가 Saturation되는 이유는 Velocity Saturation과 관련이 되어있습니다만, 현재에 바로 설명하기에는 힘든 부분이므로 추후에 다시 설명을 드리도록 하겠습니다.

이번 포스팅은 여기까지입니다. 혹여나 설명이 어려웠던 부분이 있다면, 댓글로 달아주세요!