반도체 ) Dram 기본 동작 - 1

MOSFET

(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 약자로 MOS 구조를 쓰면서 Gate 전압에 의해 발생된 Field로 동작되는 Transistor를 말한다.

 

MOSFET 구성 및 구분

 

구성

Source, Gate, Drain, Bulk(Substrate)의 4단자로 구성되어 있으며 Gate 아래의 Source와 Drain간 거리를 Channel Length라고 한다. Gate 아래의 Source나 Drain 영역의 폭을 Channel Width라고 한다.

 

MOSFET 구분

MOSFET은 크게 NMOSFET과 PMOSFET으로 나뉜다.

NMOSFET은 N type Channel MOSFET을, PMOSFET은 P type Channel MOSFET을 의미하며, NMOSFET은 Channel Inversion Carrier가 Electron이고, PMOSFET은 Channel Inversion Carrier가 Hole이다. 따라서 S/D는 Channel과 같은 type이며, Bulk는 반대 type이다.

 

MOSFET 동작 Bias (NMOSFET 기준)

Source, Gate, Drain, Bulk 단자 전압이 Vs, Vg, Vd, Vb라면 Source Vs는 기준전압이 되며, 일반적으로

GND(0V) Vg>=Vs (Channel Inversion Layer를 형성하기 위해서)

Vd>=Vs (Source의 Electron이 Drain으로 가야 함)

Vb<=Vs, Vb<=Vd (즉, S/D와 Bulk 간에는 역방향 Bias이어야 함)

 

문턱 전압 이상에서의 전류(I) - 전압(V) 특성

문턱 전압 이상의 동작 시 MOSFET 동작 변화(NMOSFET 기준)

Gate 전압 Vgs>Vt(문턱 전압, Threshold Voltage)일 경우 Si표면은 Strong Inversion(N Channel 형성)되어 상당한 수준의 Free Carrier(Electron)가 존재하게 된다. 이때, Drain전압 Vds+값을 가해주게 되면, 수평 전게예 의한 Drift에 의해 Source에서 Drain으로 Electron이 이동하게 된다. 따라서 Drain 전류 Id는 Inversion charge량과 이 전자의 속도에 의해서 결정되게 된다. 그리고 gate 전압이 증가할수록 더 많은 Electron이 Channel로 끌려오므로 Inversion charge량은 증가한다. Drain 전압 Vds가 증가하면, Source/Drain간의 Field가 증가하고 이에 의해 Drain전류 Id도 증가하게 된다.

-> Vds가 증가함에 따라 Id값도 선형적으로 증가한다고 하여 Linear Region이라고 한다.

 

Vds를 더 증가시키면 Si surface Potential을 증가시켜(Electron을 밀어낸다)Inversion Charge(electron)량은 감소하게 되고, Vds 증가에 따른 Drain 전류 Id의 증가율은 감소하기 시작한다.(전류감소가 아니라 증가율이 감소한다.)

Vds가 더욱 증가하여 어느전압 이상이 되면, Drain쪽에 더이상 Inversion charge가 존재하지 못하게 되는데, 이현상을 Pinch off라고 하며 이 때의 Drain전압(Vds.sat)을 Pinch off전압이라고 한다.

->Vds가 증가해도 Id값이 증가하지 않는다 하여 Saturation Region이라고 한다.

 

Pinch off(Vds.sat) 이후에는 Drain쪽 Channel에 Inversion Charge가 없이 Depletion 영역만이 존재하는데, 이 영역에 Vds - Vds.sat에 해당하는 전압이 걸리게 된다. Vgs가 증가하면, Vds.sat이 증가한다. 왜냐하면, Vgs가 크면 그만큼 Inversion Charge가 많아져서 Drain 쪽 Channel의 Inversion Charge를 없애기 위해 Vds가 더 커져야 하기 때문이다. Pinch off 이후 계속 Vds를 증가시키면 Pinch off 위치가 Source쪽으로 이동하게 되고 이는 결국 Channel Length를 감소(L -> L') 시키는 결과를 낳고 Channel Length가 짧아 지는 만큼 Id값은 증가하게 된다. 이를 Channel Length Modulation이라 한다.