MOSFET 기초

[역사적 시각]
게이트 전압(전기장 효과)으로 전류의 흐름을 제어한다는 착상은 1926년 Julius Lilienfeld에 의해 제안되었다. 그러나 당시에는 그 생각대로 동작하는 소자를 만들 기술이 존재하지 않았다. 1960년 D.Kang과 M.Atalla가 MOSFET을 제작, 보고하였으며, 1962년에는 16개의 MOS 트랜지스터로 구성된 MOS IC가 제작되었다. NMOS와 PMOS 두 소자 모두를 포함하는 CMOS의 개념은 1963년에 F.Wan lass와 C.Sac에 의해 제안되었다. 최초의 마이크로프로세서는 1971년 M.Hoff 등에 의해 만들어졌다. 이 소자에서 간단한 형태의 중앙 처리 장치 전체가 한 개의 칩 위에 만들어졌다. 이 IC는 2,300개의 MOSFET을 포함하고 있었으며, IC 소자 기술에서 획기적인 진전이 되었다.

[현대적 시각]
MOSFET(특히 CMOS) 기술은 아직도 디지털 IC 회로의 중심이 되고 있다. 현재의 주요 목표 중 하나는 소자를 더욱더 작게 만들어 더 많은 소자가 하나의 칩 안에 포함될 수 있게 하는 것이다. 일반적으로 더 작은 소자들일수록 더 빠른 동작 속도를 보이며, 힘을 덜 소모한다.

[MOS 전기장 효과 트랜지스터의 동작]
일반적으로 MOSFET는 4단지로 구성되며, 금속-산화물-반도체 부분이 트랜지스터의 핵심을 이루고 있다. 게이트 산화물의 양 단에는 소스와 drain 단자로 불리는 n형 영역이 자리 잡고 있다. 산화물 아래, 소스와 drain 단자 사이의 영역은 채널 영역으로도 불린다. 채널의 길이 L과 너비 W는 중요한 특성 변수이다. 구조상의 또 다른 중요한 특성 변수는 산화물의 두께이다.

[동작의 기본 원리]
게이트에 양의 전압을 걸어줌으로써 산화물에 수직인 방향으로 전기장이 인가된다. 이 전기장은 반도체 물질까지 침투하며, 충분히 크면 산화물 바로 아래에 전자의 층을 형성시킨다. 이 전자 층을 반전 층이라 하며 채널 영역이라고도 부른다.
 drain과 소스 사이에 전압 VDS가 인가되면 전자는 소스에서 출발하여 채널을 통해 drain으로 흐른다. 이로 인해 발생하는 전류는 반전 층에 포함된 전하량의 함수이다. 이는 drain과 소스 사이를 흐르는 전류가 수직으로 형성되는 전기장에 영향을 받는다는 것을 의미하고 있다. 즉, 전기장 효과라는 명칭은 전하의 흐름에 수직으로 걸리는 전기장이 전류의 흐름을 제어한다는 개념을 표현하고 있다. 기초적인 트랜지스터의 동작은 두 단자 사이(게이트-소스)에 걸린 전압으로 세 번째 단자(drain)의 전류를 제어하는 것이다. 여기서 언급된 소자는 채널을 흐르는 전자에 의해 전류가 발생하므로 n 채널 MOSFET라 불린다.

[동작 상태]
MOSFET의 중요한 전기적 특성 변수로 문턱 전압이 있다. 만일, 게이트 소스 전압이 문턱 전압보다 낮다면 트랜지스터를 흐르는 모든 전류가 차단된다. 게이트 소스 전압이 문턱 전압보다 높다면 반전 층이 형성되고 drain 전류가 형성될 수 있게 된다.
 트랜지스터의 전류-전압 특성 곡선을 보게 되면, 각각의 게이트 전압에 대해서 drain 전류가 drain 소스 전압에 대한 함수로 표현되어 있다. 트랜지스터가 바이어스되어 포화영역에서 동작한다면, 이상적이면 drain 전류는 drain 소스 전압에 영향을 받지 않게 된다. 이때의 drain 전류는 전자의 이동도 와 산화물의 커패시턴스, 그리고 채널의 너비-길이 비, 게이트-소스 전압, 문턱 전압에 영향을 받는다.

[MOSFET을 이용한 증폭]
트랜지스터 응용 분야 중 하나는 시간에 따라 변화하는 수신호 입력신호를 증폭하는 것이다. 입력신호가 0이라면 트랜지스터는 포화영역 상의 Q 점에서 동작하게 된다.
 시간에 따라 변화하는 입력신호가 가해지면 게이트 소스 전압이 시간에 따라 변화하게 된다. 그 때문에 시간에 따라 변화하는 drain 전류가 발생하며, 시간에 따라 drain 소스 전압도 변화하게 되어 시간에 따라 출력 신호를 발생시키게 된다. 이때 이 신호의 크기는 입력신호의 크기보다 커질 수 있으며, 이로써 이 회로는 증폭기로 작용함을 알 수 있다.

[2단지 MOS 커패시터]
MOSFET의 핵심은 금속-산화물-반도체로 이루어진 커패시터이다. 또한, 커패시터를 이해하는 것은 MOSFET의 동작 특성을 이해하는데 기초가 된다. 
 금속층은 알루미늄을 비롯한 여러 종류의 금속들로 만들어질 수 있으나, 현재에는 산화물 위에 높은 전도성의 다결정 실리콘을 증착하는 방식이 가장 많이 쓰인다. 그렇지만 이 층을 가리킬 때는 아직도 금속층이라는 말이 쓰인다. 

[에너지 밴드 모식도와 전하의 분포도]
MOS 구조의 물성은 평행 판 커패시터를 고려하면 간단히 설명될 수 있다. 바이어스된 커패시터의 상부는 음전하로 대전 되며, 하부는 양전하로 대전 된다. 그리고 두 판 사이에는 전기장이 형성된다.
 반도체 기판을 기준으로 할 때 상부 게이트에는 음의 전압이 걸려 있다. 이 경우에 평행 판 커패시터의 예에서 알 수 있듯이, 상부 게이트가 음의 전하로 대전 되고 전기장이 형성된다. 만일 전기장이 반도체 내로 침투하게 되면 다수 carrier인 정공은 산화물과 반도체 사이의 계면 쪽으로 인력을 받게 된다. MOS 커패시터의 하부층에는 양전하가 개정됨에 따라 산화물과 반도체 사이에는 정공의 축적 층이 발생한다.
 MOS 커패시터에서 가해진 전압의 방향을 바꾸면, 상부 게이트는 양전하로 대전 되며 발생한 전기장의 방향도 반대가 된다. 이 경우에 전기장이 반도체 내로 침투한다면 정공들은 산화물 반도체 계면으로부터 척력을 받게 된다. 정공들이 계면에서부터 밀려남에 따라 계면 근처에는 이온화된 억셉터 원자들에 의해 음의 전하를 갖는 공간 전하 영역이 발생한다. depletion 영역의 음전하는 MOS 커패시터 하부층의 음전하에 대응한다.

 

MOS 커패시터에서의 전위차

금속-반도체 옴(Ohm) 접촉

금속-반도체 접촉(쇼트스키 접합)

금속-반도체 접촉(쇼트스키 접합)