1-2) Operation of MOSFET, Qualitative Respect

• 전 chapter에서 말했듯이, 전자회로에서는 Vcont 값을 조절해서 R을 변하게 하여 원하는 Current를 이끌어 낼 수 있는 Transistor 라는 소자를 활용해야 한다.
• 이때 V=I*R 이라는 옴의법칙 정리가 활용된다.
  • Current I는 시간당 움직이는 전하의 양
  • 즉, 전하의 이동 = Currnet (전류)
• 전류의 정의에서부터, 전자회로에 우리가 원하는 Current 값을 흐르게 만드려면 그에 상응하는 Voltage를 걸어주어, Charge를 이동시켜야 한다는 것을 알 수 있다.

그렇다면, Voltage가 인가되었을 때 Charge는 어떻게 행동하고 반응하는지 이해해야 Transistor를 만들어 전압을 통해 전류를 control 할 수 있게 될 것이다.

---

• Voltage를 인가했다는 것은 해당 물질 및 공간에 전기적 Potential이 생성되었다는 것이다 (electric field)
  
  • Voltage = 단위전하당 가해지는 힘
• Voltage에 의한 Potential에 의해 material에 존재하는 Charge는 힘을 받게되어 움직이게 된다.
  • 이때 material 격자구조 특성 등에 의해 힘을 받아 가속운동을 하는 것이 아닌, 등속도 운동을 하게 된다.
  • 즉, Voltage 의 크기는 Electric Field의 크기에 비례하고, Electric Field 안의 Charge의 운동 속도에 비례하게 된다.
• 힘을 받은 Charge가 움직인다는 것 자체가, Current가 생성되었다고 생각할 수 있다. (I=Q/t)
• 결론적으로, Votlage와 Charge의 운동속도는 비례한다는 것이다.

이때 Transistor의 소자의 목적을 상기해 보았을 때, Vcont라는 전압값으로 해당 물질의 R 값을 조절하여 같은 Voltage가 인가된 상황에서 흐르는 Current의 양 (material에 흐르는 Charge의 속도 및 양)을 만들 수 있어야 한다.

 

※ Silicon 물질을 생각해 보았을 때. 동일 밀도로 도핑된 silicon에서 같은 전압값을 양단에 걸어주게 되면 내부 Charge들은 모두 같은 속도를 갖고 이동하게 된다 (Voltage는 Charge의 속도에 비례하니까) 이때 전류의 값을 조절하려면 결국 이동하는 Charge의 양을 조절해야 한다.

→ Charge Density

---

• 결론적으로 물질의 (반도체에선 대표적으로 Silicon의) Carrier Density를 변화시키는 것이 Trasistor를 구현할 수 있는 중요 key idea 일 것이다.

→ 이때 바로 쓰이는 물질이 Semiconductor, 즉 반도체이다.

---

 

 

• 안정적 공유결합 특성을 가진 4족 원소에 Doping을 이용하여 Semiconductor를 만들어 낸다.
  • Hole이 생성된다면 Positive
  • Electron이 생성된다면 Negative

→ Voltage에 의해 움직일 수 있는 Charge가 (Carrier가) 생성된 것.

부도체 성향이 강했던 intrinsic Silicon을 도체 성향이 강한 Extrinsic Silicon으로 바꾼 것이다.

---

 

 

• 즉 우리는 위에서 알아본 Extrinsic/Intrinsic Silicon을 이용해 Transistor를 만들어 내는 것이 목표이다.
• 우리는 전류를 전압으로 control 하기 위해 Charge의 양을 전압에 따라 조절해야 한다.

왼쪽 아래의 그림.

• A, B에는 일정한 전압을 걸어준다.
• carrier가 존재하는 물질 위에는 insulator (SiO2와 같은 산화층)층을 깔아준다.
• Vcont를 인가하기 위한 metal (도체) 물질을 올려주어 전극을 생성한다.

→ 즉, Vcont에 전압을 인가하면 (+ or -) Material에 존재하는 Carrier들이 높은 전압이 생성된 쪽으로 끌려오게 되어 insulator 바로 밑 단에 높은 Carrier Density를 생성하게 된다.

(우리가 원하던대로 Carrier Density를 조절하여 흐르는 Current 양을 control 할 수 있는 기반을 만들었다)

---

 

• Source 및 Drain 전극은 N+ doped Semiconductor를 사용한다 (P type은 P+)
  • Drain/Source 전극을 Metal로 생성할 경우에는 Hetero Junction에 의해 carrier 이동 특성이 나빠진다.

즉, Metal Oxide Semiconductor를 활용한 FET을 만들어 낼 수 있다

---

• 이로써 Gate Voltage의 크기로 Charge Density를 변화시켜 전류의 양을 조절할 수 있는 Filed Effect Transistor가 완성되었다.

---

• 이때 기판에 해당하는 Substrate는 각 MOS type의 반대 type silicon substrate를 사용한다.
  • 이는 transistor가 trun off 동작을 해야할 때 전류를 완벽히 차단하기 위해서 이다.

---

• 이로써 만들어진 MOSFET은 위의 그림과 같이 반도체 공정을 통해서 만들어 질 수 있다.

현재 공정단위에서는 Gate Conductor로 Poly Silicon을 대신해 Metal 물질인 Cu, Al 등을 사용하는 추세이다.

Oxide 층 또한 SiO2보다 더 높은 유전율을 가지는 부도체를 사용하여 insulator를 구성하기도 한다.

---

 

+++ 아래 게시물 참고.

 

https://beginagain22.tistory.com/37

MOS 와 MOSFET (1) - 정성적 이해

 

https://beginagain22.tistory.com/38

MOS 와 MOSFET (2) - 정량적 이해

 

https://beginagain22.tistory.com/39

MOS 와 MOSFET (3) - gm의 조작 / Velocity Saturation / Body Effect

 

https://beginagain22.tistory.com/40

MOS 와 MOSFET (4) - Large / Small-Signal Models, PMOS tr.