[반도체 소자] MOSFET (1) 구조 및 공정

반도체 소자 과목에서 중요하게 다뤄지는 MOSFET에 대해 다뤄볼까합니다. 

학부에서 배운 내용기반으로 오류가 있을 수 있다는점 참고 해주세요 :) 

 

1. MOSFET? 

MOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor

즉 금속, 산화막, Si 기판으로 이뤄진 트랜지스터를 말해요 

Gate(G) - 전하의 흐름 유무를 조절하는 것으로, 수도꼭지랑 비슷한 개념입니다

Source(S) - 전하의 공급원 

Drain(D) - 전하가 빠져나가는곳 

이때 소스와 드레인의 퍼텐셜 에너지 차이로 전자가 이동하게 되죠! 

 

n채널 MOSFET의 간략한 공정과정을 보면,

p형 기판 위 초박막의 SiO2를 생장 후, high-k 절연막을 적층 -> 금속게이트 전극(이방성 RIE 에칭) -> 소스, 드레인에 N+ 도핑(self-aligned process) -> Annealing -> 금속 배선 공정 

이렇게 되겠네요 자세한 내용은 추후의 공정파트에서 다루도록 하죠

 

2. Energy Band Diagram 

MOSFET 동작원리를 알기 위해선 에너지 밴드 다이어그램이 중요한데요, 

Conduction Band (전도대): 전자가 에너지를 받아 excitation시 채워지는 공간

Valence Band (가전자대): 전자가 채워져 있는 공간으로 electron filled band라고도 하죠

Eg(에너지밴드갭): 전자가 가전자대에서 전도대로 여기되기 위해 필요한 최소한의 에너지 

Ec: 전도대의 최솟값 

Ev: 가전자대 최대값 

 

[전자 에너지 밴드 다이어그램]

 

일반적으로 전기장은 (+) -> (-) 방향으로 이동하죠

그래서 퍼텐셜그래프가 사진의 윗부분처럼 형성이 됩니다. 

 

 

하지만 전자는 전기장의 방향과는 반대로, (+) 방향으로 이동하게 되죠 

그래서 전자입장에서보면 퍼텐셜이 낮은쪽이  더 크게 느껴지게 됩니다. 

전자 에너지 밴드 다이어그램은 전기장과는 반대로 형성이 되는거죠

 

 

 

 

본격적으로 mosfet의 원리에 대해서 알아볼건데요,

우리가 p-n접합을 생각해보았을때,

n형과 p형의 페르미 에너지가 일치하면서 접합형성이 되죠 

상대적으로 p형의 페르미 에너지는 가전자대에 근접해 아래에 위치하기에 p형 밴드가 n형 밴드보다 위로 올라간 형태로 밴드접합이 형성됩니다. (*왼쪽사진에서 밴드다이어그램 참고)

 

평형상태일때는 그림에서 알 수 있듯이 source에서 drain으로 가는데 퍼텐셜 장벽이 존재해요, 그래서 전류가 흐를 수 없죠 

그러나 게이트에 (+)전압을 가해주면, gate 아래쪽 실리콘에 depletion영역과 전자로 구성된 얇은 표면 영역이 형성되면서 (-)전하가 유도됩니다. 이게 바로 n-채널이죠. 이로써 drain에서 source로 전류가 흐를 수 있게 됩니다. 

즉, 게이트는 퍼텐셜 장벽을 조절하면서 전류의 흐름을 통제하는 역할을 하겠네요!

 

그렇다면 게이트가 어떤 원리로 작동하는지 구체적으로 알아볼게요  

 

3. Linear, Saturation region

 [MOSFET의 Id, Vd 곡선]

 

pinch-off 곡선을 기준으로 왼쪽이 Linear, 오른쪽이 Saturation 영역입니다.

( Vd, Id: Drain의 전압과 전류 , Vg: 게이트 전압 )

- Vt : 문턱전압 , 채널을 유도하는데에 필요한 최소한의 gate전압

- Linear (Vd < (Vg-Vt) ): Vd에 대해 Id 선형적 증가 

- Saturation ( Vd >= (Vg-Vt) )  : Vd와 무관하게 일정한 전류

 

 

 

[작동원리]

시작전에 Vg>Vt 라는 조건이 깔리는데, 이는 inversion layer의 형성을 의미해요 

 

(a) : Linear region 

Vg가 증가할수록 채널에 더 많은 전하가 유도되어 채널은 더 큰 전도도를 가짐.

-> Vd가 어느정도 작을때, S,D쪽의 채널에 비슷한 양의전하가 채널을 형성

 

 

(b) onset of saturation (Vd = Vg-Vt)

위의 조건을 만족할시, inversion layer가 위로 올라가면서 drain영역에

pinch-off가 발생

 

 

(c) strong saturation 

pinch-off 발생이후 Vd가 더 증가하면 pinch-off 지점이 source쪽으로 이동하는데, inversion layer가 없는 곳은 캐리어가 없어 저항이 걸리지 않기에 field가 굉장히 커져서 날라가게 됨 

 

이러한 방식으로 게이트 전압 인가에 따라 inversion layer가 변하면서 전류의 흐름을 조절하게 되는거죠

 

4. 채널에 따른 MOSFET 종류 

 

이제 mosfet의 종류에 대해 볼건데 channel종류에따라, 전압이 인가되지않았을때의 상태에따라 나뉘게 됩니다. 

Enhancement mode: 평상시에는 off되어있다가 전압을 가할시 on 

Depletion mode: 채널이 이미 형성된 상태로, 평상시에는 on이었다가 전압을 가하면 off 

 

그래프를 보면 게이트 전압이 0일때 둘의 차이점을 쉽게 알 수 있겠죠? 

 

 

 

다음번에는 MOS cap에 대해서 다뤄보도록 할게요 :)