Top 41 증가 형 Mosfet The 109 Latest Answer

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Understand the output and transfer characteristics of enhancement MOSFETs

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[전자회로] MOSFET(모스펫) / 증가형MOSFET에 대하여 알아보기

Article author: eunkyovely.tistory.com
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[전자회로] MOSFET(모스펫) / 증가형MOSFET에 대하여 알아보기

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안녕하세요 대학원 석사 1년차 은교입니다 🙂

취업을 했다가 다시 공부가 더 하고싶어 대학원에 진학을 하게 되었습니다.

다시 차근차근 공부하면서 정리하는 내용을 공유하며 가치를 더하고 싶어 블로그를 만들게 되었어요

공부중인 학생이니 틀린부분이 있다면 알려주시면 감사하겠습니다^_^

자 오늘은 요즘 제가 아주 열심히 공부중인 MOSFET에 대해서 한번 정리해보려고 합니다!!!

인간이 만든 생산품 중 가장 많이 팔린다는 요 제품!!! 제대로 공부해서 혼내주도록 하겠습니다ㅎ_ㅎ

MOSFET은 게이트에 인가되는 전압에 의해 드레인 전류가 제어되는 소자로

전기로 동작하는 ‘스위치’또는 ‘증폭기’라고 생각하시면 되는데 현대의 직접회로를 기반으로 한 전자제품의 구성에는 MOSFET이 없어서는 안될 필수적인 기본 소자입니다.

지금 사용하는 스마트폰, 컴퓨터, 가전제품 등 이 소자를 사용하지 않는 제품은 찾기 어려울 정도!!

그리고 다른 반도체 소자들에 비해 MOSFET은 집적도가 매우 높고 효율도 비교적 좋아 널리 사용되고 있죠.

https://eunkyovely.tistory.com/5

MOSFET의 기본원리는 커패시터입니다.

지난번에 정리했던 커패시터의 원리를 잘 알면 MOSFET을 매우 쉽게 이해하실 수 있으실거예요!

게이트 단자가 실리콘 산화막에 의해 채널영역과 분리되어 있어 금속산화물반도체 FET라고도 합니다

MOSFET의 트랜지스터 3개 단자로는 게이트(Gate), 소오스(Source), 드레인(Drain)이 있는데요.

게이트는 소오스와 드레인 사이의 전류흐름을 제어하는 역할을 하고

소오스는 전류를 운반하는 캐리어를 공급하고

드레인은 소오스에서 공급된 캐리어가 채널영역을 지나 소자 밖으로 방출되는 단자라고 생각하시면 될 것 같아요!

그 중 가장 중요한 역할을 하는 Gate!

이 Gate는 Source와 Drain사이에 채널(Channel)이란 다리를 놓는 역할을 합니다

이 다리는 자기가 좋아하는 캐리어만 통과를 시키는데요.

트랜지스터 각 단자의 도핑 물질이나 외부에서 인가하는 전압 극성도

어떤 채널을 선택하느냐에 따라서 모두 바뀌게 되는 묘한 성격을 지니고 있습니다.

소수캐리어가 모여서 연결한 채널은 다수캐리어가 Source에서 Drain으로 이동하는 다리가 되고

기판과 소오스/드레인의 도핑 형태에 따라 N채널 또는 P채널로 구분되는데

전자모임을 N type 정공모임을 P type 이라고 합니다.

예를 들어서 전자가 넘어갈 다리를 n-Channel이라고 하고

정공이 넘어갈 다리를 p_Channel이라고 한다는 것!

그리고 MOSFET은 채널 제작방법에 따라 증가형(enhancement-type) MOSFET와

공핍형(depletion-type) MOSFET으로 구분됩니다

저는 증가형 MOSFET의 개략적인 동작원리를 살펴보려고 하는데

N채널 MOSFET과 P채널 MOSPET는 전류와 전압의 극성이 반대되는 것을 제외하면

똑같이 해석이 가능하기 때문에 기본적인 N채널로 알아볼게요!

MOSFET의 동작에 있어서 중요한 점은

전류가 소오스와 드레인 사이의 채널영역을 통해서만 흐르며

소오스 또는 드레인에서 기판 쪽으로는 흐르지 않아야 한다는 것입니다.

따라서 소오스 드레인과 기판의 PN접합은 항상 역방향 바이어스 상태가 되어야 하며

이를 위해서는 N채널 MOSFET의 P형 기판에는 0V 또는 음(-)의 전압이 인가되도록 해야합니다.

N채널 증가형 MOSFET구조에서 소오스와 채널 그리고 채널과 드레인 사이에는 PN접합이 형성되어 있고

소오스, 드레인과 기판의 PN접합은 항상 역방향 바이어스 상태가 되어야 하므로

소오스와 드레인 사이에는 전류가 흐를 수 없습니다.

따라서 전류가 흐르도록 하기 위해서는 채널영역에 전자를 모아서 소오스와 드레인이 연결되도록 하고

게이트 전극에 양(+)의 전압 \(V_{GS}\)를 인가하면 게이트 산화막 아래의 채널영역에

전자들이 모여 N형 반전층(inversion layer)이 형성되며 이 상태를 채널이 형성되었다고 말합니다.

이렇게 채널이 형성된 상태에서 드레인에 양(+)의 전압 \(V_{DS}\)가 인가되면

소오스와 드레인 사이에는 전류가 흐르게 되는거죠!!!

자 자 여기까지 이해가 되셨다면 채널이 형성되는 원리를 좀 더 살펴보겠습니다

게이트에 인가된 양(+)의 전압에 의해서 기판의 다수 캐리어인 정공은

기판의 아래 쪽으로 밀려나고 이에 의해서 공핍영역이 형성됩니다.

기판과 소오스, 드레인의 PN접합은 역방향 바이어스 상태이기때문에

위 그림과 같이 소오스, 드레인 그리고 채널영역 주변에 공핍영역이 만들어지게 됩니다.

게이트에 인가되는 전압의 크기에 따라 채널영역에 모이는 전자의 수가 달라지므로 ‘증가형’ MOSFET이라 하고

결과적으로 증가형 MOSFET은 게이트 전압에 의해 드레인 전류가 제어되는 소자라고 할 수 있어요.

이 때 증가형 MOSFET에서 채널을 형성하기 위해 필요한 최소 게이트 전압을 문턱전압(threshold voltage)라고 합니다.

N채널 증가형MOSFET 문턱전압 \(V_{Tn}\) > 0

P채널 증가형 MOSFET 문턱전압 \(V_{Tp}\) < 0 우선 오늘은 기본적인 MOSFET의 개념과 증가형 MOSFET에 대해서 정리해보았습니다 다음 포스팅에서는 공핍형(depletion) MOSFET의 구조와 동작에 대해서 공부해볼게요 🙂 제가 공부하고 있는 공대 대학원생 브이로그도 보러와주세요 🙂 youtu.be/3vdR_2S7skA https://www.youtube.com/channel/UCGyL8n-i8RlJixVn__c-6kw 728x90

증가형 ( Enhancement ) N 채널 MOSFET 전달특성

증가형( Enhancement ) N채널 MOSFET의 동작은 결핍형의 MOSFET와 거의 같다. 다만 명칭에서 말해 주듯이 채널이 증가 해야 하기 때문에 제조과정에서는 드레인과 소스사이에 채널이 형성이 되어 있지 않은 것이다. 걸어주는 게이트-소스간 전압에 의해 채널이 형성 되기 때문에 없는 채널이 생긴다, 또는 형성된다. 또는 증가 된다고 보는 것이다. 명칭과 회로기호를 알려면 채널의 유무, N형 또는 P형 반도체로 만들어 졌는지를 연상하면 된다고 했다.

아래 구조를 보면 드레인과 소스사이에 채널이 없음을 확인할 수 있다. 그렇다면 동작은 결핍형 NMOS를 사고 했기 때문에 어떻게 전개 되어질까 예측이 어느정도 된다. 드레인과 소스 사이에 전류가 흐르게 하는 것이 일차적 목적이라면 전류가 흐르는 길을 닦아 주는 것이 첫번째 과제가 된다.

게이트-소스 전압을 걸어 전계를 형성 시켜 주면 기판에 있는 소수캐리어인 전자가 절연체쪽으로 이끌려 가리라고 예상되고, 이것이 드레인과 소스 사이에 전류를 흐르게 하는 채널이 되리라는 것은 불보듯 뻔하다.

채널이 형성 되면 나머지 동작은 구조가 같게 되는 결핍형 NMOS와 동일하게 될 것이다. 이러한 과정을 물리적 구조와 함께 좀 더 상세하게 파고들어 가야 하겠다.

게이트-소스간의 전압 ( V GS )를 인가하고, 드레인-소스간 전압( V DS )도 인가한다고 하자. 이때 게이트-소스간의 전압이 채널을 형성시켜 드레인으로부터 전류가 흐르게 하기 위한 핀치 온 ( Pinch on ) 전압 이하이면 채널이 형성 되지 않아 전류가 흐르지 못한다. 핀치 온 전압을 V TN 이라 하면 V GS < V TN 관게일 때를 말한다. 게이트-소스간의 전압 ( V GS )을 점점 증가시키면 핀치 온 ( Pinch on ) 전압에 다다르게 되는데 이때는 드레인과 소스사이에 전류가 흐르게 된다. 전자가 오작교처럼 만들어 지는 길을 반전층( inversion layer ) 이라고 한다. 게이드-소스 전압과 드레인-소스간 전압으로 인해 채널이 더욱 확장 되면서 전류가 급격하게 증가하기 시작한다. 자료를 보면 이에 대한 그래프를 그려주고 있는데 아래 그림이 바로 이런 상태를 그래프로 표현하고 있다. 핀치 온 ( Pinch on )전압 보다 게이트-소스간의 전압 ( V GS )이 작으면 드레인 전류가 흐르지 않고, 게이트-소스간의 전압 ( V GS )이 핀치 온 ( Pinch on )전압 보다 커지면 채널이 형성 되어 드레인 전류가 흐르기 시작한다. 드레인-소스간 전압을 증가시키면 드레인 전류는 점점 증가하기 시작한다. 또한 게이트-소스간의 전압 ( V GS )을 크게 걸어 주면 상식적으로 드레인 전류는 급격히 증가하게 된다. 이 동작은 선형영역에서 발생하는 것을 잊지 말자. 이 이후의 특성 그래프는 여타 FET와 동일하게 작동한다. JFET와 결핍형 NMOSFET는 선형영역과 포화영역에 이르는 전달특성곡선을 단계를 나누어 살펴 보았지만, 이제는 그럴 필요 없이 전달 특성을 바로 그려 보기로 한다. 전달특성이 그려지는 형태는 같으나 내용은 결이 전혀 다름을 볼 수 있다. JFET 같은 경우는 게이트-소스간의 전압 ( V GS )이 0V일 때 드레인 전류가 가장 크게 흐르는 반면에, 결핍형 N-MOSFET는 게이트-소스간의 전압 ( V GS )이 0V 보다 큰 +전압이 걸릴 때도 드레인 전류가 흐르는 형태를 가졌다. 결국 한마디로 3가지 소자를 종합하면 게이트-소스간의 전압에 따라 드레인 전류를 적건 많건간에 흐르게 만드는 것이다. 이것이 FET전체를 전압제어 전류 소스라고 이름 붙인 이유이기도 하다. 포화상태에서의 V GS -ID 특성 곡선은 마치 다이오드의 그래프처럼 그려진다. 다이오드 그래프와 다른 것은 다이오드는 애노드-캐소드간 0.6V 이면 도통 되지만, 증가형 NMOS는 핀치 온 전압이상이 되면 그때부터 드레인 전류가 급격하게 흐르기 시작한다. ON SEMICONDUCTOR 사의 2N7000 / 2N7002 / NDS7002A N-Channel Enhancement MOSFET의 게이트 문턱전압 ( Gate Threshold Voltage ),즉 핀치 온전압( 경우에 따라서 드레인 전류가 흐를 수 있는 그 때의 전압이므로 임계치라고도 한다. )의 데이터 시트 자료를 보기로 한다. 대략 2.1V임을 알 수 있다. 최소, 최대값이란 예를들어 1000개의 2N7000을 검사해 보았더니 분포가 위와 같이 되더라는 것을 말하는 것이다. 대충 표준정규분포를 생각하면 될 것 같다.

MOSFET 구성의 종류(증가형, 공핍형, Planar, FD-soi, FINFET, GAAFET, MBCFET)

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MOSFET의 종류

1. 채널에 따른 분류

1) 증가형 MOSFET

○ Gate에 전압을 인가하여 소스와 드레인 사이에 채널을 형성하는 일반적으로 알고 있는 모스펫입니다.

○ E-MOSFET(Enhancement)라고도 합니다.

2) 공핍형 MOSFET

○ 증가형 MOSFET의 반대되는 개념으로 물리적으로 채널이 미리 형성되어 있습니다.

따라서 따로 게이트에 전압을 걸어주지 않더라도 전류가 흐르는 상태이며,

게이트 전압을 조절해 전류를 차단하거나 약하게 조절할 수 있습니다.

○ 이 원리는 E-MOSFET과 반대라고 생각하시면 됩니다.

N-type E-MOSFET의경우 +전압을 인가해 정공을 밀어내고 N채널을 형성한다면,

E-MOSFET의 경우 – 전압을 인가해 정공을 채널로 끌어들여 채널을 좁게 만들게 됩니다.

○ E-MOSFET의 경우 채널을 미리 형성시키는 공정으로 인해 추가적인 Mask가 필요하고, 이에 공정 비용이 증가합니다. 또한 문턱전압의 균일성을 유지하기 힘들어 IC 회로에서는 사실 거의 사용하지 않습니다.

○ D-MOSFET(Depletion)이라고도 합니다.

2. 구조에 따른 분류

1) Planar FET

○ 1세대 MOSFET으로 일반적으로 대학교에서 배우는 MOSFET 구조입니다.

○ 이러한 MOSFET은 그 성능 증가와 크기 감소를 위해 선폭을 줄이게 되는데, 이에 Source와 Darin사이가 너무 가까워 각종 Secondary effect가 나타나게 됩니다.

○ Secondary effect를 방지하기 위해 FD-Soi, FinFET, GAAFET, MBCFET 등 다양한 구조의 MOSFET이 개발되게 됩니다.

2) FD-Soi

○ SIMOX 공정(si 기판에 산소를 주입하고 1300도 이상으로 가열하는 공정)을 이용해 Source, Darin, Channel 아래 Ultra-thin Baried oxide를 형성하는 기법입니다.

○FD-Soi의 효과로는

첫 번째로 누설전류가 감소합니다. Source, Darin, 채널을 P-sub과 격리시키기 때문에 캐리어가 채널 외에 다른 곳으로 흐르지 않게 됩니다.이에 누설전류가 감소합니다.

두 번째로 Latch-up을 방지합니다.

C-MOS의 경우 n-type과 p-type이 접촉된 부분이 존재해 Latch-up 현상이 발생할 수 있습니다. 하지만 FD-Soi를 사용할 경우 N-Well과 P-sub을 분리해 기생 CAP을 없애고 Latch-up 현상을 방지합니다.

○ 이렇게 기생 CAP을 없애는 현상은 반도체 속도 증가로 이어집니다. 왜냐하면 기생 Cap이 사라짐으로 인해 RC Delay가 줄어들기 때문입니다.

3) FinFET

○ FINFET은 기존에 Planar FET의 채널을 위로 쌓아 올린 형식입니다.

마치 낸드 플래시 72단 36단과 같이 쌍아 올려 집적도를 올렸다고 생각하시면 됩니다.

○ 이렇게 쌓아올린 채널은 Gate에 파고든 형태를 하고 있어 상어 지느러미와 비슷한 형상을 가지게 됩니다. 때문에 FinFET이라는 이름이 붙었습니다. 일각에서는 물고기 지느러미와 유사해서 FinFET이라는 이름이 붙었다고도 합니다.

○ Planar FET이 1개의 면으로 전류의 흐름을 결정하는 것에 비해 왼쪽, 오른쪽, 위쪽 3개의 면으로 전류의 흐름을 결정해 전류 제어 특성이 더 좋습니다.

○ FinFet의 경우 14nm ~ 4nm공정에서 사용하며, TSMC의 경우 3nm 공정에서도 FinFET 공정을 사용하겠다고 발표했습니다.

○ FinFet의 효과로는

첫 번째 반도체 크기가 감소합니다.

FinFET은 Planar FET과 다르게 채널이 가로가 아닌 세로로 형성되어 전체적인 반도체 크기가 감소합니다.

두 번째 전류량이 증가합니다.

3면을 사용하는 덕분에 단면의 채널을 갖고 있는 PlanarFET 보다 채널의 width가 증가해 더 많은 전류를 흘릴 수 있습니다.

세 번째 효과적으로 전류를 통제할 수 있습니다.

전류를 3면으로 통제해 더욱 효과적입니다. 따라서 누설전류나 Short Channel Effect 등을 줄일 수 있습니다.

4) GAAFET

○ 채널의 전면이 Gate로 둘러쌓인 나노 와이어 구조를 하고 있습니다.

둥근 채널을 게이트가 전방위로 감싸고 있어 전류 제어 특성이 FinFET보다 좋습니다.

○ 삼성의 발표자료에 따르면 FinFET과 비교했을 때 성능이 35% 정도 증가했고, 소비전력은 50% 정도 감소했으며, 차지공간은 45% 감소하는 효과를 볼 수 있었다고 합니다.

5) MBCFET

○ GAAFET에서 사용하는 나노와이어 구조를 나노 시트 구조로 대체한 형태입니다.

○ GAA와 같이 높은 전류제어 특성을 가졌으며, 게이트에 닿는 면적이 넓어 더 많은 전류를 흘릴 수 있습니다.

<사진 출처>

삼성전자 : https://www.samsungsemiconstory.com/kr/%EC%82%BC%EC%84%B1%EC%A0%84%EC%9E%90-%EC%82%BC%EC%84%B1-%ED%8C%8C%EC%9A%B4%EB%93%9C%EB%A6%AC-%ED%8F%AC%EB%9F%BC-2019-%EA%B0%9C%EC%B5%9C/

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