MOSFET에 대한 이해

1. MOSFET

  MOSFET이란 무엇일까요? MOS라는 것은 Metal-Oxide-Seiconductor라는 말로 금속과 반도체 사이에 부도체가 적층 되어 있는 구조로 되어 있습니다. 반도체 기판이 N형이면 NMOS, P형이면 PMOS라고 합니다. 그리고 FET는 Field Effect Transsistor의 줄임말로 전계효과 (Field Effect)을 활용한 트랜지스터를 말합니다. 기본적으로 Gate 양쪽에 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류의 양을 게이트에 인가되는 전압의 양을 통해 조절하는 것으로 수력 발전소에서 문을 열고 닫아 물을 흐르게 하거나 가두는 역할을 한다고 보시면 됩니다. 결국 MOSFET이란 MOS구조를 통해 전계를 생성하여 동작하는 트랜지스터를 말합니다.

 

**참고로 N 기판 위에 형성이 되면 P채널 MOSFET, P 기판 위에 형성이 되면 N채널 MOSFET이라고 합니다.

헷갈릴 수 있으니 주의하세요. 아래 그림 (A)는 nFOSFET을 기준으로 MOS는 Metal-SiO2-pSI순으로 접합한 것입니다.

(A) MOSFET 3가지 동작 설명

  MOS 구조는 Gate 전압에 따라 축전(accumulation), 공핍(depletion), 반전(inversion)의 세 가지 동작 상태를 보입니다.

세 가지 동작에 앞서 MOS구조의 에너지 밴드를 살펴보는 게 좋을 듯합니다. 금속의 페르미 준위는 Psi의 페르미 준위보다 높은 상태입니다. 이 상태로 접합하면 pSI의 페르미 준위가 올라가 에너지 밴드가 위쪽으로 휘게 됩니다. 이 상태에서 전압을 인가함에 따라 앞서 말한 세 가지 동작 상태를 나타낼 수 있습니다. 

 

우선, 세 가지 상태의 기준점이 되는 flat band을 알고 가는 것이 좋습니다. Flat band란 위의 휘어진 에너지 밴드가 평평하게 펴진 상태를 말하는데 Gate에 일정한 (-) 전압을 걸어 주고 금속의 레벨을 높이면 에너지 밴드가 점점 퍼지는데, 이때 평평하게 퍼진 상태의 게이트 전압을 flat band voltage라고 합니다. 보는 시각에 따라 flat band voltage를 0으로 간주하는 경우도 있습니다.

 

(B) Flat band voltage, VFB = EmF - EsF

 

 

(C) 축척(Accumulation)

 

   VG < VFB

 

Gate Voltage가 Flat band voltage보다 낮은 경우로, (-) 전압을 가해 주면 금속 에너지 레벨이 높아지고 반도체는 p type이므로 정공이 전압에 끌려가 산화막의 경계면에 쌓입니다. 

 

(D) 공핍 (Depletion)

 

   VFB < VG < VT

 

Gate Voltage가 flat band voltage보다 높고 문턱전압보다 낮은 경우입니다. 전압을 (-)에서 (+)으로 높이면 금속 에너지 레벨이 flat band를 지나 계속 내려가 반도체 에너지 밴드가 위쪽으로 휩니다. 금속에 (+) 전압이 걸려 산화막 경계면의 정공이 밀려나 경계면에서 fixed charge만 존재하여 공핍 영역이 형성됩니다.

 

(E) 반전 (Inversion)

 

  VT < VG

 

Gate voltage가 문턱 전압을 넘어서 높아질 때입니다. 더 큰 (+) 전압을 가하면 금속 에너지 레벨이 더욱 낮아져 반도체 이 밴드가 더욱 낮아져 반도체 에너지 밴드가 더 크게 휘게 됩니다. 높은 (+) 전압으로 산화막 경계면에는 전자가 모이게 되고 이는 결국 도핑의 상태가 반전되는 경우를 발생시켜 MOSFET의 채널이 형성이 됩니다.