MOSFET

3. 구조 및 특징

3. 1. 금속 산화막 반도체 구조

3. 2. MOS 커패시터 및 밴드 다이어그램

3. 3. MOSFET 구조

MOSFET은 일반적으로 p형 실리콘 기판 위에 제작된다. n형 MOS(NMOS)의 경우, p형 실리콘 기판 위의 게이트 영역에 실리콘 산화막과 그 위에 게이트 금속을 형성하고, 드레인·소스 영역에는 고농도의 불순물을 이온 주입하여 n형(n⁺형) 반도체로 만든다.^[77]

p형 MOS(PMOS)의 경우에는, p형 실리콘 기판에 이온 주입으로 n층 영역을 생성하고, n형 주입 영역 중의 게이트 영역에 실리콘 산화막과 그 위에 게이트 금속을 형성하고, 드레인·소스 영역에는 고농도의 불순물을 다시 이온 주입하여 p형(p⁺형) 반도체로 만든다.^[77]

4. 동작

MOSFET의 동작은 게이트-소스 전압($V\_\{GS\}$) 및 드레인-소스 전압($V\_\{DS\}$)에 따라 크게 세 가지 영역으로 나뉜다.

• 차단 영역 (Cut-off): $V\_\{GS\}$가 문턱 전압 ($V\_\{th\}$)보다 낮을 때는 트랜지스터가 꺼져 있어 전류가 거의 흐르지 않는다. 하지만 실제로는 약간의 누설 전류가 존재할 수 있다.

• 선형 영역 (Linear): $V\_\{GS\}$가 $V\_\{th\}$보다 크고, $V\_\{DS\}$가 $V\_\{GS\}\; -\; V\_\{th\}$보다 작을 때는 트랜지스터가 켜져 전류가 흐른다. 이 영역에서 MOSFET은 저항처럼 동작하며, 드레인 전류($I\_D$)는 다음과 같이 표현된다.

• 포화 영역 (Saturation): $V\_\{GS\}$가 $V\_\{th\}$보다 크고, $V\_\{DS\}$가 $V\_\{GS\}\; -\; V\_\{th\}$보다 클 때는 드레인 전류가 $V\_\{DS\}$에 거의 영향을 받지 않고, $V\_\{GS\}$에 의해 주로 결정된다. 이 영역에서 MOSFET은 정전류원처럼 동작하며, 드레인 전류는 다음과 같이 표현된다.

4. 1. 차단, 역문턱 및 약반전 모드

4. 2. 선형 영역 (옴 영역)

4. 3. 포화 영역 (능동 모드)

4. 4. 몸체 효과

• V_T0는 기판 바이어스가 없을 때 (V_SB = 0)의 문턱 전압이다.
• γ는 몸체 효과 매개변수이다.
• 2φ_B는 V_SB = 0이고 게이트 바이어스가 채널 형성을 보장할 만큼 충분할 때 공핍층 전체의 표면과 벌크 사이의 근사적인 전위 강하이다.

5. 회로 기호

MOSFET은 다양한 기호로 표현된다. 기본적인 형태는 채널을 나타내는 선과, 그 선에 직각으로 연결되어 꺾이는 소스와 드레인을 나타내는 선으로 구성된다. 게이트는 채널과 평행한 또 다른 선으로 표현된다.

강화형 MOSFET은 끊어진 선으로, 공핍형 MOSFET은 실선으로 채널을 나타낸다.

벌크(bulk) 또는 바디(body) 연결은 화살표로 표시되며, 이 화살표는 항상 P에서 N으로 향한다. 따라서 NMOS (P-웰 또는 P-기판의 N채널)의 경우 화살표는 안쪽(벌크에서 채널)을 가리킨다. 벌크가 소스에 연결된 경우(개별 소자의 경우 일반적)에는 트랜지스터를 떠나는 소스와 만나도록 기울어진다. 벌크가 표시되지 않는 경우(집적 회로 설계의 경우처럼)에는 PMOS를 나타내기 위해 반전 기호를 사용하기도 한다.

다음은 강화형 및 고갈형 MOSFET 기호와 JFET 기호를 비교한 표이다.

^[43][44][45]

6. 응용

MOSFET은 디지털 집적 회로(마이크로프로세서, 메모리 장치 등), 전력 전자 장치, 무선 주파수 증폭기, 오디오 주파수 전력 증폭기 등 다양한 분야에 활용된다.

마이크로프로세서와 메모리 장치 같은 디지털 집적 회로는 각 장치에 수천 개에서 수십억 개의 MOSFET 트랜지스터를 집적하여 논리 게이트와 데이터 저장에 필요한 기본적인 스위칭 기능을 제공한다. 개별 소자는 스위칭 모드 전원 공급 장치, 가변 주파수 드라이브 및 각 소자가 수천 와트를 스위칭할 수 있는 기타 전력 전자 장치 응용 분야에서 널리 사용된다. 초고주파 스펙트럼까지의 무선 주파수 증폭기는 MOSFET 트랜지스터를 아날로그 신호 및 전력 증폭기로 사용하며, 무선 시스템에서는 발진기 또는 주파수 변환 믹서로도 활용된다. 또한 MOSFET 소자는 공공 주소 시스템, 음향 증폭, 가정용 및 자동차 사운드 시스템의 오디오 주파수 전력 증폭기에도 적용된다.

바이폴라 트랜지스터가 입력 전류로 제어되는 반면, MOSFET은 입력 전압에 의한 전계로 제어된다. MOSFET의 게이트에는 원리적으로 직류에서^[81] 미세한 누설 전류를 제외하고는 전류가 흐르지 않아 저소비전력 특성을 가진다. 또한, 바이폴라 트랜지스터는 정공과 전자, 두 종류의 캐리어로 동작하는 반면, MOSFET은 한 종류의 캐리어로 동작하여 "유니폴라 트랜지스터"라고도 불린다.

MOSFET은 평면적이고 고집적화에 적합한 구조를 가지므로, IC(집적 회로)화에 유리하다. 바이폴라 트랜지스터의 입출력은 "에미터", "베이스", "컬렉터"인 반면, MOSFET은 "소스", "게이트", "드레인"이다.^[81]

6. 1. MOS 집적 회로

6. 2. CMOS 회로

6. 2. 1. 디지털

6. 2. 2. 아날로그

6. 3. 아날로그 스위치

6. 3. 1. 단독형 MOSFET 스위치

6. 3. 2. 이중형 (CMOS) MOSFET 스위치

7. MOSFET 구성

7. 1. 게이트 재료

8. MOSFET 축소

지난 수십 년간 MOSFET의 크기는 지속적으로 감소되어 왔다. 과거에는 MOSFET 채널 길이가 몇 마이크로미터 수준이었지만, 현대 집적 회로에는 0.1 마이크로미터보다 작은 채널 길이를 가진 MOSFET이 사용되고 있다. 인텔은 2006년에 65nm 최소 배선폭(채널은 더 짧음)을 갖는 공정 생산을 시작했고, 2009년 말에는 32nm 특징 크기(채널은 더 짧음)를 갖는 공정 생산을 시작했다. 이러한 지속적인 축소는 로버트 데나드의 스케일링 이론 연구를 통해 가능해졌다. 반도체 산업은 MOSFET 개발의 속도를 설정하는 "로드맵"인 ITRS^[54]를 유지하고 있다.

MOSFET 크기 축소의 어려움은 반도체 소자 제조 공정과 관련이 깊다. 특히 소스-바디 접합 및 드레인-바디 접합 설계는 소자의 전류-전압(''I-V'') 특성, 속도, 대기 전력 소모에 큰 영향을 미친다.

얕은 접합 확장은 임계 전압의 드레인 유도 장벽 저하 및 ''I-V'' 곡선에 대한 채널 길이 변조 효과를 감소시킨다. 또한, ''헬로'' 도핑, 즉 접합 벽에 바짝 붙어 바디와 같은 도핑 유형의 매우 얇고 고농도로 도핑된 영역을 추가하여 공핍 영역의 범위를 제한할 수 있다.^[52] 상승된 소스 및 드레인 형상은 접촉 영역의 대부분이 실리콘 대신 두꺼운 유전체 경계를 형성하여 정전 용량 효과를 제한할 수 있다.^[53]

마이크로미터보다 훨씬 작은 채널 길이를 가진 MOSFET을 생산하는 것은 어려운 과제이며, ALD과 같은 공정 개선에도 불구하고, MOSFET의 작은 크기(수십 나노미터 미만)는 작동상의 문제를 야기한다. 더 작은 MOSFET은 더 높은 누설 전류와 더 낮은 출력 저항을 나타내기 때문에 회로 재설계 및 혁신이 필요하다.

8. 1. MOSFET 축소의 이유

8. 2. MOSFET 축소 때문에 발생하는 어려움

• 문턱 전압 감소 및 문턱아래 전도: MOSFET 소형화에 따라 성능 향상을 위해 문턱 전압을 낮춰야 하는데, 이는 트랜지스터를 완전히 끄는 것을 어렵게 만들어 소스와 드레인 사이에 문턱아래 누설 전류를 발생시킨다.
• 상호연결 전기용량 증가: 트랜지스터가 작아지고 칩에 더 많은 트랜지스터가 집적됨에 따라 상호연결 전기용량이 증가하여 신호 지연과 성능 저하를 유발한다.
• 열 발생: 집적 회로 내 MOSFET 밀도가 증가하면서 발열 문제가 심각해져 회로 동작을 손상시키고 신뢰성을 저하시킨다.
• 게이트 산화막 누설: 게이트 산화막이 얇아짐에 따라 양자역학적 전자 터널링 현상이 발생하여 전력 소모가 증가한다. 이산화규소 대신 유전 상수가 높은 물질을 사용하기도 하지만, 이 경우에도 다른 문제점이 발생할 수 있다.
• 공정 변이: MOSFET 소형화에 따라 공정 변이가 트랜지스터 특성에 미치는 영향이 커져 트랜지스터의 동작을 예측하기 어려워진다.

8. 2. 1. 문턱아래 전도

8. 2. 2. 상호연결 전기용량

8. 2. 3. 열 발생

8. 2. 4. 게이트 산화물 누설

8. 2. 5. 공정 변이

9. 다른 MOSFET 종류

집적 회로 상의 MOSFET 밀도가 높아짐에 따라 발생하는 국부적인 발열은 회로 작동 속도 저하, 신뢰성 저하, 수명 단축 등의 문제를 야기한다. 따라서 마이크로프로세서를 비롯한 많은 집적 회로에는 방열판 및 기타 냉각 장치가 필요하다. 전력 MOSFET은 열 폭주 현상으로 인해 소자가 파괴될 위험이 있다. 온저항이 온도에 따라 증가하면서 전력 손실이 커지고, 이는 더 많은 열을 발생시켜 접합 온도가 급상승하기 때문이다.

• '''이중 게이트 MOSFET'''

• '''공핍형 MOSFET'''

• '''엔모스 논리'''

• '''전력 MOSFET'''

• '''디모스 (DMOS)'''

9. 1. 이중 게이트 MOSFET

9. 2. 공핍형 MOSFET

9. 3. 엔모스 논리

9. 4. 전력 MOSFET

9. 5. 디모스 (DMOS)

참조

_[1] 웹사이트 D-MOSFET OPERATION AND BIASING https://massless.inf[...]
_[2] 특허 Method and apparatus for controlling electric currents 1926-10-08
_[3] 특허 Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices http://v3.espacenet.[...] 1935-12-06
_[4] 학술지 Frosch and Derick: Fifty Years Later (Foreword) https://iopscience.i[...] 2007-09-01
_[5] 특허 Oxidation of semiconductive surfaces for controlled diffusion https://patents.goog[...] 1957-08-13
_[6] 학술지 Surface Protection and Selective Masking during Diffusion in Silicon https://iopscience.i[...] 1957
_[7] 학술지 Surface Protection and Selective Masking during Diffusion in Silicon https://iopscience.i[...] 1957
_[8] 서적 Advanced Materials Innovation: Managing Global Technology in the 21st century https://books.google[...] John Wiley & Sons 2016
_[9] 서적 Makers of the Microchip: A Documentary History of Fairchild Semiconductor https://books.google[...] MIT Press 2010
_[10] 서적 ULSI Process Integration III: Proceedings of the International Symposium https://books.google[...] The Electrochemical Society 2003
_[11] 서적 History of Semiconductor Engineering Springer Science & Business Media 2007
_[12] 학술지 The mechanisms for silicon oxidation in steam and oxygen https://linkinghub.e[...] 1960-07-01
_[13] 서적 Silicon materials science and technology The Electrochemical Society 1998
_[14] 서적 History of Semiconductor Engineering Springer Science & Business Media 2007
_[15] 서적 To the Digital Age: Research Labs, Start-up Companies, and the Rise of MOS Technology https://books.google[...] Johns Hopkins University Press 2007
_[16] 학술지 Silicon-silicon dioxide field induced surface devices 1960
_[17] 웹사이트 1960 – Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated https://www.computer[...] Computer History Museum 2023-01-16
_[18] 학술지 Silicon-Silicon Dioxide Surface Device https://doi.org/10.1[...] 1961
_[19] 서적 History of Semiconductor Engineering Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007
_[20] 서적 To the Digital Age: Research Labs, Start-up Companies, and the Rise of MOS Technology JHU Press
_[21] 웹사이트 Intel 45nm Hi-k Silicon Technology http://www.intel.com[...] Intel
_[22] 웹사이트 memory components data book http://bitsavers.tra[...] Intel 2015-08-30
_[23] 웹사이트 Using a MOSFET as a Switch http://brunningsoftw[...]
_[24] 논문 Modeling and simulation of insulated-gate field-effect transistor switching circuits https://ieeexplore.i[...]
_[25] 서적 MOSFET modeling & BSIM3 user's guide https://books.google[...] Springer
_[25] 웹사이트 BSIM-CMG 106.1.0beta Multi-Gate MOSFET Compact Model http://www-device.ee[...] Department of Electronic Engineering and Computer Science, University of California Berkeley 2012-04-01
_[26] 서적 Analysis and Design of Analog Integrated Circuits http://worldcat.org/[...] Wiley
_[27] 서적 Low-Power Deep Sub-Micron CMOS Logic: Subthreshold Current Reduction https://books.google[...] Springer
_[28] 웹사이트 Wikipedia fails subvt https://sites.google[...]
_[29] 서적 Analog VLSI and Neural Systems Addison-Wesley
_[30] 서적 Neuromorphic Systems: Engineering Silicon from Neurobiology https://books.google[...] World Scientific 1998
_[31] 서적 Neural Networks: A Classroom Approach https://books.google[...] Tata McGraw-Hill 2004
_[32] 서적 Field-programmable Logic and Applications: 12th International Conference https://books.google[...] Springer 2002
_[33] 서적 Circuits and systems tutorials John Wiley and Sons 1996
_[34] 서적 Nano, Quantum and Molecular Computing https://books.google[...] Springer
_[35] 서적 Statistical Analysis and Optimization For VLSI: Timing and Power https://books.google[...] Springer
_[36] 서적 MOSFET modeling for circuit analysis and design http://worldcat.org/[...] World Scientific
_[37] 서적 Electronic circuits: analysis, simulation, and design http://worldcat.org/[...] Prentice Hall
_[38] 서적 Microelectronic Circuits http://worldcat.org/[...] Oxford University Press
_[39] 서적 Analysis and design of analog integrated circuits http://worldcat.org/[...] Wiley
_[40] 서적 Microelectronic circuits http://worldcat.org/[...] Oxford University Press 2004
_[41] 서적 Mosfet modeling for VLSI simulation: theory and practice World Scientific
_[42] 웹사이트 Body effect http://equars.com/~m[...] Equars.com 2012-06-02
_[43] 웹사이트 Electronic Circuit Symbols http://www.circuitst[...] 2011-11-09
_[44] 간행물 IEEE Std 315-1975 — Graphic Symbols for Electrical and Electronics Diagrams (Including Reference Designation Letters)
_[45] 서적 Microelectronic Circuit Design http://highered.mcgr[...]
_[46] 웹사이트 1955 – Photolithography Techniques Are Used to Make Silicon Devices http://www.computerh[...] Computer History Museum 2012-06-02
_[47] 웹사이트 1964 – First Commercial MOS IC Introduced http://www.computerh[...]
_[48] 웹사이트 2-1/2-generation μP's-$10 parts that perform like low-end mini's http://www.swtpc.com[...] EDN 1975-09-20
_[49] 웹사이트 Computer History Museum – The Silicon Engine | 1963 – Complementary MOS Circuit Configuration is Invented http://www.computerh[...] Computerhistory.org 2012-06-02
_[50] 웹사이트 Computer History Museum – Exhibits – Microprocessors http://www.computerh[...] Computerhistory.org 2012-06-02
_[51] 웹사이트 ReVera's FinFET Control http://www.revera.co[...]
_[52] 서적 Physics of Semiconductor Devices https://books.google[...] Springer
_[53] 서적 Predictive Simulation of Semiconductor Processing: Status and Challenges https://books.google[...] Springer
_[54] 웹사이트 International Technology Roadmap for Semiconductors https://web.archive.[...]
_[55] 웹사이트 1965 – "Moore's Law" Predicts the Future of Integrated Circuits http://www.computerh[...]
_[56] 서적 Low Voltage, Low Power VLSI Subsystems https://books.google[...] McGraw-Hill Professional
_[57] 서적 Computational Electronics https://books.google[...] Morgan & Claypool
_[58] 웹사이트 Frontier Semiconductor Paper http://frontiersemi.[...]
_[59] 서적 The VLSI Handbook https://books.google[...] CRC Press
_[60] 학술지 A Comparison of Spike, Flash, SPER and Laser Annealing for 45nm CMOS
_[61] 논문 VLSI wiring capacitance http://www.research.[...] IBM Journal of Research and Development 2021-02-09
_[62] 서적 Integrated Circuit Design: Power and Timing Modeling, Optimization, and Simulation (10th Int. Workshop) https://books.google[...] Springer
_[63] 서적 Design for Manufacturability And Statistical Design: A Constructive Approach https://www.amazon.c[...] Springer 2007
_[64] 서적 Frontiers in electronics: future chips : proceedings of the 2002 Workshop on Frontiers in Electronics (WOFE-02), St Croix, Virgin Islands, USA, 6–11 January 2002 World Scientific
_[65] 서적 Silicon-on-Insulator Technology and Devices The Electrochemical Society
_[66] 백과사전 Depletion Mode https://web.archive.[...] 2010-01-29
_[67] 웹사이트 MIS https://web.archive.[...]
_[68] 서적 Semiconducting polymers: chemistry, physics and engineering https://books.google[...] Wiley-VCH
_[69] 서적 Organic Molecular Solids: Properties and Applications https://books.google[...] CRC Press
_[70] 논문 High performance organic field-effect transistors using cyanoethyl pullulan (CEP) high-k polymer cross-linked with trimethylolpropane triglycidyl ether (TTE) at low temperatures https://pubs.rsc.org[...]
_[71] 서적 Power Semiconductor Devices PWS publishing Company
_[72] 웹사이트 Power MOSFET Basics: Understanding MOSFET Characteristics Associated With The Figure of Merit http://www.element-1[...] 2010-11-27
_[73] 웹사이트 Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge and Using It To Assess Switching Performance http://www.element-1[...] 2010-11-27
_[74] 약어 insulated-gate FET
_[75] 약어 metal-insulator-semiconductor FET
_[76] 웹사이트 微細MOSFETとパワーMOSFETの違い https://engineer-edu[...]
_[77] 웹사이트 パワーMOSFETを使った設計　よくある問題や故障モードの回避方法 https://www.infineon[...]
_[78] 기타
_[79] 학술지 アーリー電圧の導出について https://doi.org/10.5[...] 国立高等専門学校機構群馬工業高等専門学校
_[80] 웹사이트 MOSFETのボディーダイオードとは https://www.macnica.[...]
_[81] text
_[82] text
_[83] 특허 미국특허 1,900,018 1933-03-07
_[84] text
_[85] text
_[86] 발표 IRE 고체 상태 소자 개발 및 발표 1960
_[87] 논문 IEEE의 회보 1963-09
_[88] 수상 노벨 물리학상 1956
_[89] 특허 미국 특허 3,472,712 1966-08-14
_[90] 발표 소스-드레인 마스크처럼 게이트를 이용하여 제작된 저항층 게이트 전계효과 트랜지스터 (IGFET) 1966
_[91] 논문 실리콘 게이트 기술 1970-08
_[92] 서적 전력 반도체 소자 PWS 출판사