쉬운 반도체공학#02 MOSFET 모스펫

MOSFET은 Metal Oxide Sillicon Field Effect Transistor의 약자로 전계 효과를 이용한 트랜지스터입니다. 저번 포스팅에서 다뤘던 모스캡이 inversion layer를 형성하려면 bulk에서 전자들을 모아왔어야 했는데 이 시간이 너무 길었습니다. 반면 모스펫은 소스와 드레인에 전자를 강하게 도핑해 (NMOS 기준) 게이트에 Vt이상의 전압을 가해주면 이 전자들이 inversion layer를 형성하고 드레인에 전압을 가해주면 드레인에서 소스로 전류가 흐르게 됩니다.

 

 

N-MOSFET(좌) P-MOSFET(우)

 

게이트와 바디 두 개의 단자였던 MOSCAP과 다르게 MOSFET은 소스와 드레인까지 4개의 단자로 이루어져 있습니다. PMOSFET은 반대로 Vt에 음의 전압을 가하면 정공으로 이루어진 채널이 소스와 드레인 사이로 형성되고 소스에 전압을 가하면 소스에서 드레인으로 전류가 흐릅니다.

 

모스펫의 용도는 두 가지로 볼 수 있는데, 하나는 스위치 다른 하나는 증폭기입니다. 문턱전압 이상을 인가하냐 안하냐로 전류의 흐름이 생겼다 안생겼다 하기 때문에 이 게이트 전압을 조절해서 회로의 스위치로 쓰이기도 하구요, 간혹 증폭기의 역할로 쓰이기도 합니다만 대부분 스위치로 쓰입니다.

 

현재는 CMOS라고 해서 NMOS와 PMOS를 합쳐서 인버터의 역할로 굉장히 많이 쓰입니다. C는 complementary의 약자로 우리말로는 상보적이라는 뜻입니다. 두 개가 반대로 동작하면서 CMOS의 동작이 이뤄지기 때문이죠.

 

cmos의 회로도

NMOS와 PMOS의 게이트를 묶어서 동시에 전압을 인가하는 형식입니다. NMOS는 양의 전압에서 켜지고, PMOS는 음의 전압에서 켜진다고 생각하면 되기 때문에, 양의 전압을 인가하면 밑에 있는 NMOS가 켜지고 그라운드에 묶여 있던 전압이 Vout으로 출력됩니다. 음의 전압을 인가하면, 위에 있는 PMOS만 켜지고 Vdd가 출력되죠. 이렇게 해서 Vt이상의 전압을 디지털 신호 1로 두었을 때 반대의 출력이 나오는 inverter의 역할을 하게 됩니다.

 

이러한 inverter는 우리가 흔히 아는 NOTgate의 역할로 이것을 통해 여러 논리 게이트를 만들게 되고, 우리가 흔히 아는 메모리 반도체나 시스템 반도체를 구성하는 기본 요소가 됩니다.

 

반도체 회사가 돈을 벌기 위해서는 다음 4가지가 향상되어야 합니다. 성능(Performance), 전력소모(Power), 집적도(Area), 비용(Cost)인데요. 이 PPAC를 개선하려면 반도체의 면적이 작아져야 합니다. 그러기 위해서는 결국 MOSFET의 길이가 짧아져야 하죠. 그래서 길이 뿐만 아니라, 소재, 공법 등의 여러 변화를 거치게 됩니다.

 

우리가 흔히 알고 있는 구조의 모양인 PlanarFET에서 시작해서 인텔의 전성기를 이끈 FinFET과, 이제 내년 양산될 예정이라는 삼성의 MBCFET까지, 소자가 짧아지면서 발생하는 여러 문제점을 극복하기 위해서 반도체 회사들은 구조의 혁신을 항상 추구했습니다.

 

앞으로 이러한 채널이 짧아지면서 발생하는 문제점들인 Short Channel Effect와, 이 SCE를 막기 위해 취해왔던 공법의 변화, 소재의 변화, 그리고 구조의 변화까지 알아보도록 하겠습니다.