반도체 기초 Chapter 11 - 3. 게이트(gate) 전압에 따른 동작 상태

Chapter 11 - 3. 게이트(gate) 전압에 따른 동작 상태

 

MOSFET의 전기적 특성은 고정 전하량과 이동 전하량의 합인 기판영역 전하량에 따라 결정된다.

 

고정 전하에 의한 기판 전하량

고정 전하에 의한 기판 전하량은 게이트(gate) 전압에 따라 변화하는 공간전하 영역의 폭을 통해 알아낸다.

 

이동 전하에 의한 기판 전하량

이동 전하에 의한 기판 전하량은 정공에 의한 전하량과 전자에 의한 전하량을 통해 알아낸다.

 

표면 전위에 따른 기판 전하량의 변화

고정 전하량과 이동 전하량의 합인 기판 전하량은 반도체 기판 영역의 표면 전위의 함수로 표기할 수 있다.

 

- 표면 전위가 (+) 일 때

기판 영역의 전자가 기판 영역 전체 전하량을 결정한다.

 

- 표면 전위가 (-) 일 때

기판 영역의 정공이 기판 영역 전체 전하량을 결정한다.

 

 

• 게이트(gate) 전압에 의한 표면 전위 변화와 동작 상태 구분

n - MOS 기준 표면 전위에 따른 동작 상태 구분

각 동작 상태에서의 기판 영역 표면의 기판 전하량과 표면 전위

 

p형 기판의 다수 캐리어인 정공 축적 상태 (V_G < V_FB)

게이트에 평탄 전압보다 더 음의 전압이 인가되면 p형 기판의 다수 캐리어인 정공이 산화막/기판의 경계면에 축적된다.

이 상태에서 표면 준위(게이트 전압)가 조금 변화해도 기판 전하량은 크게 변한다.

 

평탄대역과 중성전하 상태 (V_G = V_FB)

게이트와 기판의 일함수 차이만큼의 게이트 전압이 인가되면 기판의 전 영역에서 에너지 대역도는 평탄해진다.

이 상태에서 전계와 기판 전하량이 존재하지 않는다.

 

다수 캐리어의 공핍 상태 (V_FB < V_G < V_i)

게이트에 평탄 전압보다 크고 중간 전압보다 작은 전압이 인가되면 p형 기판의 다수 캐리어인 정공이 산화막/기판의 경계면과 멀어진다. 따라서 기판 영역의 표면에는 다수 캐리어인 정공이 공핍된 상태가 된다. 결국 기판 전하량은 공핍 공간전하로 이루어진다.

이 상태에서 게이트 전압이 증가하면 공간전하량도 증가한다.

 

소수 캐리어의 약한 반전 상태 (V_i < V_G < V_T)

게이트에 중간 전압보다 크고 임계 전압보다 작은 전압이 인가되면 공핍 상태 현상과 p형 기판의 소수 캐리어인 전자가 열생성되어 반도체 표면에 모이는 현상이 함께 일어난다.

이 상태에서 기판 전하는 공간 전하와 반전 전하의 합이다.

 

반전 전하는 매우 적은 양이지만 게이트에 임계 전압보다 낮은 전압이 안가될 때 드레인 누설 전류를 결정한다.

 

임계 상태 (V_G = V_T)

게이트에 임계 전압이 인가되면 반도체 기판 표면의 반전된 전자 농도와 기판의 다수 캐리어 농도가 같아진다.

이 상태에서 공간전하 영역 폭이 최대 공간전하 영역 폭이다. 또 공간 전하량도 최대가 된다.

 

표면 전자 농도와 기판 중성 영역의 정공 농도가 같다. 하지만 기판 표면의 반전 소수 캐리어 전하량은 공핍 공간전하량보다 여전히 매우 적다.

 

임계 전압의 정의

- 반도체 기판 표면의 반전된 전자 농도가 기판의 다수 캐리어 농도와 같도록 만들기 위한 게이트 전압

- 반도체 기판의 표면 전위를 기판 페르미 전위의 2배로 만드는데 필요한 전압

 

소수 캐리어의 강한 반전 상태와 전도 채널 형성 (V_T < V_G)

게이트에 임계전압보다 큰 게이트 전압이 인가되면 기판 표면에 반전 전하에 의한 전도성 채널이 만들어진다. 소스(source)와 드레인(drain) 사이의 전류 통로인 채널이 만들어진 것이다.

이 상태에서 드레인에 전압이 인가되면 소스에서 드레인 방향 전류를 형성한다. 또한 전류 통로를 제어할 수 있는 게이트 전압을 가변저항으로 생각할 수도 있다.

 

 

 

요약

MOSFET의 전기적 특성은 고정 전하량과 이동 전하량의 합인 기판 영역 전하량에 의해 결정된다.

기판 영역의 표면 전위에 따라 고정 전하와 이동 전하에 의한 기판 전하량이 변화하며 게이트 전압에 따라 동작 상태가 구분된다.

게이트 전압에 따라 p형 기판의 다수 캐리어인 정공이 축적, 평탄대역, 공핍, 약한 반전, 임계, 강한 반전 상태로 변화하며 강한 반전 상태일 때 전도성 채널이 형성된다.