10.3.1 MOSFET 구조

이제는 MOSFET에 관해 알아보도록 하겠다.

MOSFET : Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

여기서 Field는 E-field인 전기장을 이야기하고, Transistor는 (transfer + resistor를 결합한 단어) 저항값을 바꾸기가 가능하다.

MOSFET는 Source , Gate , Drain , Body 4개의 전극을 지녔다.

동작 방법은 전자가 Source에서 Drain으로 이동을 하며 사이에 전류를 발생시킨다. 이렇게 발생한 전류값은 $V_{G}$를 통해 E-field값 조절이 가능하다.

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MOSFET는 $V_{G}$전압값을 조절하여 총 3가지의 모드로 표현이 되는데, 이는 MOS 에서와 비슷하게 해석이 가능하다.

 

 

1) Accumulation ($V_{G} < V_{FB}$)

Accumulation ($V_{G} < V_{FB}$)

$V_{G}$는 음전하를 띤다.

따라서 Surface에 hole이 많이 모여있는 형태로 그려진다.

이때 $n^{+}$로 도핑된 Drain에 $V_{D} > 0$의 전압이 걸리면 Source와 Drain 사이에 존재하는 전하는 어디로든 움직일 수 없게 된다. (= 전류 흐름이 없다.)

다음과 같은 상태를 Off-state 라고 부른다.

 

2) Depletion ($0 < V_{G} < V_{T}$)

Depletion ($0 < V_{G} < V_{T}$)

MOS에서 살펴보았듯 해당 전압 구간에서의 surface 영역은 약간의 inversion carrier가 존재하지만 대부분은 depletion region이 형성된다. 

따라서 $n^{+}$로 도핑된 Drain에 $V_{D} > 0$의 전압이 인가하여도 전자의 이동은 거의 불가능하다.

다음과 같은 상태를 subthreshold 라고 부른다.

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3) Inversion ($V_{G} > V_{T}$)

Inversion ($V_{G} > V_{T}$)

$V_{G}$는 양전하를 띤다.

MOS 에서 살펴보았듯 Surface에 electron이 많이 모여 n-type처럼 행동하는 layer가 형성된다.

이때 $n^{+}$로 도핑된 Drain에 $V_{D} > 0$의 전압이 걸리면 Source와 Drain 사이에 존재하는 전하는 channel이라고 불리는 통로를 통해 이동(->)을 한다. (= 전류 흐름이 존재.)

다음과 같은 상태를 On-state라고 부른다.

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이렇게 만들어 지는 Channel은 N과 P 2가지로 나뉜다.

 

1) N - channel MOSFET

N - channel MOSFET

 

위에서 설명하였던 MOSFET와 동일한 종류로 $V_{G} > V_{T}$의 전압이 인가하면 channel이 n-type으로 만들어진다.

이렇게 만들어진 n - channel을 NMOS라고 부른다.

 

2) P - channel MOSFET

P - channel MOSFET

NMOS와 반대로 $V_{G} < -V_{T}$의 전압이 인가하였을 때 channel이 p-type으로 형성되었을 경우로, 이렇게 만들어진 p - channel을 PMOS라고 부른다.

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이는 서로 같은 전압을 인가하였을때 대칭되는 결과를 얻을 수 있다.

$V_{G} > 0$ 인가. NMOS = on , PMOS = off

$V_{G} < 0$ 인가. NMOS = off , PMOS = on

 

따라서 다음과 같은 서로 반대되는 동작을 이용하여 회로를 구성하는 것을 CMOS (Complementary MOS)라고 한다.

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추가적으로, MOSFET을 분류하는 다른 방법이 있다.

 

 

이는 우리가 위에서 배웠듯, $V_{G} > 0$의 전압 인가를 통해 channel 형성으로 Source & Drain 사이의 영역이 활성화되는 것이다.

 

하지만 반대로 전압을 인가하지 않았을 때 Source & Drain 사이 영역이 channel로 활성화 상태이다.

이렇게 활성화된 channel이 $V_{G} > 0$의 전압 인가로 사라지게 된다.