반도체의 기초, MOSFET의 모든 것

반도체의 기초, MOSFET의 모든 것

안녕하세요, 여러분~!

반도체에 관심이 있다면 한번쯤은 들어봤을 단어, MOSFET 다들 들어보셨나요? MOSFET은 인간이 만든 생산품 중 가장 많이 팔린 제품인데요, 이런 MOSFET은 걸어주는 전압에 따라 전자들이 이동하는 길이 생기거나 막히게 되면서 흐르는 전류를 조절하는 반도체 소자입니다. 이번 기사에서는 MOSFET의 정의와 동작원리에 대해 살펴보고 다음 기사에서는 MOSFET의 문제점에 따른 개선방향에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 그럼 지금부터 MOSFET에 관해 살펴보도록 할 텐데요. 반도체의 기초 MOSFET 여행을 함께 떠나보시죠!

SK Careers Editor 박승민

 

 

 

 

 

 

MOSFET의 개념을 알기 전 MOS구조부터 알아야 하는데요. MOS 구조란 Metal – Oxide – Semiconductor로 금속 – 산화막 – 반도체 구조입니다. 즉, 금속과 반도체 사이에 부도체가 들어있는 적층 구조로 되어있습니다.

이 때 반도체 기판이 N형이면 NMOS, P형이면 PMOS라고 부르며, Oxide는 SiO2로 전류가 통하지 않습니다. 이러한 구조는 커페시터와 유사하여 MOS Capacitor라고도 부르는데요, 특성을 결정 짓는 파라미터로써는 산화막의 두께와, 산화막의 유전율이 중요한 파라미터로 사용됩니다.

이제 MOSFET의 기본인 MOS구조도 알았으니 본격적으로 MOSFET에 대해 알아보러 가실까요?

 

 

 

 

 

MOSFET의 MOS는 앞서 언급한 내용의 Metal – Oxide – Semiconductor 이고, FET은 Field Effect Transistor의 줄임말 입니다. 즉, 전계 효과 (Field Effect)를 활용하는 트랜지스터를 뜻합니다.

기본동작으로는 양쪽에 위치한 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류의 양을 게이트에 인가되는 전압의 양을 통해서 조절하는 것입니다. 쉽게 말해 물이 지나가는 통로를 손으로 누르고 풀어 줌에 따라 흘러가는 물의 양을 조절 하는 것과 같은 원리로 이해를 하면 편하실 것 같아요!

 

 

 

또한, 산화물 아래, 소스와 드레인 사이에 전류가 흐를 수 있는 길을 채널이라고 하는데요. P기판 위에 형성이 되면 N채널 MOSFET이라 하고 N 기판 위에 형성이 되면 P 채널 MOSFET이라고 합니다.

N채널의 경우 소스와 드레인의 영역이 n형인 전자로 도핑 되어 있는데요. 전류가 흐르기 위해서는 채널층에 전자가 존재해야 합니다. 반대로P채널의 경우 소스와 드레인 사이의 채널층에는 정공이 존재하야 합니다. MOSFET의 동작 핵심은 이러한 채널을 조절하여 전류를 조절하는 것인데요! 잘 모르시겠다고요? 그럼 다 같이 어떤 원리에 의해 채널의 상태가 어떻게 바뀌는지 같이 알아보러 가실까요?

 

 

 

 

 

N 채널 MOSFET의 경우를 살펴 보도록 하겠습니다. 게이트에 전압을 인가하게 되면 전기장이 수직 방향으로 인가되는데요. 이러한 전기장은 반도체 기판까지 영향을 미칩니다. 전기장의 영향으로 인해 반도체에 존재하는 전공이나 전자들이 채널쪽으로 끌려오게 되는데요. 위의 그림과 같이 게이트에 음(-)의 전압을 인가하게 되면 가해진 전기장에 의해 채널 층에 p형의 정공들이 쌓이게 되면서 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르지 못하는 상태가 됩니다. 이 상태를 Accumulation 상태라고 합니다.  

 

 

 

그렇다면 게이트에 양의(+) 전압을 가하게 되면 어떻게 될까요?

게이트에 가하는 전압을 음의 전압에서 천천히 양의 전압 쪽으로 전압을 가하게 되면 채널층에 존재하던 정공들이 전기장에 의해 밀려나면서 어느 순간 채널 층에 정공이나 전자가 없는 빈 공간이 나타나게 됩니다. 이러한 상태를 Depletion 상태라고 합니다.  

 

 

 

Depletion 영역을 지나 센 양의 (+) 전압을 가하게 되면 채널층에는 전기장에 의해 끌려온 n형의 전자들이 쌓이게 되는데요. 이렇게 되면 소스와 드레인 사이에 전류가 흐를 수 있는 상태가 됩니다. 이 상태를 Inversion 상태라고 합니다.

반대로 P채널 MOSFET의 경우에는 게이트에 음의 (-) 전압을 인가할수록 Inversion 모드가 되겠죠?

이제는 채널이 형성 된 후 드레인에 걸어주는 전압에 따라 흐르는 전류가 어떻게 바뀌는지 알아보시죠!

 

 

 

 

 

MOSFET의 동작을 이해하는데 있어 가장 중요한 특성이 있습니다. 바로 I – V 특성 그래프 (전류 전압 특성 그래프) 입니다.

위 그림과 같이 어느 일정 수준까지는 드레인에 걸리는 전압 (VDS) 이 증가하여도 채널에 흐르는 전류 (ID) 는 그대로인 것을 확인 할 수 있습니다.

또한, 게이트에 걸리는 전압 (VGS) 이 증가하게 되면 채널에 흐르는 전류 (ID) 도 증가하는 것을 볼 수 있습니다.

이러한 전류 전압 특성은 차단영역, 선형영역, 포화영역, 총 3가지 영역으로 나눌 수 있는데요.

첫번째로, 채널이 형성되기 위해서 채널이 Inversion 모드가 형성될 수 있도록 게이트에 전압을 인가해 주어야 합니다. 만약 Inversion 모드가 형성이 안 될 정도의 게이트 전압이 인가되면 그 구간은 차단영역이라고 말합니다.

두번째로, Inversion 모드가 형성이 되고 드레인에 전압을 인가해주게 되면 전압을 인가한만큼 비례하여 전류가 증가하게 되는 구간이 나오게 되는데 이 구간을 선형 영역이라고 합니다.

마지막으로, 채널에 흐를 수 있는 양의 전류가 다 차게 된다면 그 이상의 전류가 흐르지 않는 일정한 구간이 나오게 됩니다. 이 영역을 포화영역이라고 합니다.

 

 

 

 

 

여기까지 MOSFET의 구조와 동작원리 잘 이해하셨나요?? 이번시간에는 MOSFET의 기본 작동 원리에 대해 알아보았는데요 이 기사를 읽으신 분들 모두 MOSFET에 대한 내용을 이해하셔서 반도체에 대한 벽을 허물었으면 하는 바램입니다. 읽어 주신 모두 감사드리며 다음시간에는 MOSFET의 문제점에 따른 개선방향에 관한 기사로 찾아오도록 하겠습니다. 지금까지 SK Careers Editor 박승민이었습니다.