반도체 기초 Chapter 12 - 5. 큰 드레인 전압이 인가된 MOSFET의 특성

Chapter 12 - 5. 큰 드레인 전압이 인가된 MOSFET의 특성

 

 

n - MOSFET의 채널 전하(전자)는 드레인 전압에 의해 수평 방향 전계가 형성되면 그 힘을 받아 소스에서 드레인으로 일정한 속도로 드리프트 된다.

 

과열 이동전하

이동전하의 운동 에너지가 주변의 온도에 의한 열 에너지에 비해 훨씬 큰 상태

 

MOSFET의 포화 영역 상태에서는 전계의 세기는 드레인 접합 부근에서 가장 강하다. 따라서 그 부근에서 채널 전하는 큰 운동에너지를 얻는다.

과열 이동전하는 격자 충돌 시 충돌 이온화 과정을 일으킨다. 따라서 채널 영역에 전자-정공 켤레를 생성한다. 이때 생성된 전자는 드레인 방향으로 이동하고 정공은 소스 또는 기판영역으로 이동한다.

이 현상에 의해 MOSFET으로서 전기적 특성이 변화한다. (기생 BJT가 만들어진다.)

 

과열 이동전하가 될 가능성이 높을 때

- 수평 방향 전계(드레인 전압)가 강할수록

- 평균 충돌거리가 길수록

 

 

• MOSFET의 눈사태 붕괴

과열 이동전하가 형성되면 충돌 이온화에 의한 전자와 정공이 생성되어 그 농도도 급격하게 증가한다. 이어서 드레인 전류가 급격히 증가하는 MOSFET의 눈사태 붕괴 현상이 발생한다.

 

충돌 이온화에 의해 생성된 전자의 특성

- 수평 전계에 의해 드레인으로 드리프트 되어 드레인 전류에 합류한다. (드레인 전류 증가)

 

충돌 이온화 과정에 의해 생성된 정공의 특성

- 일부는 수평 전계에 의해  소스로 드리프트되어 드레인 전류에 합류한다. (드레인 전류 증가)

- 일부는 기판에 축적되어 기판의 전위를 상승시킨다. (기판전압 효과에 의해 임계전압 감소)

- 일부는 수직 전계에 의해 기판으로 주입된다. (기판 전류 형성)

 

 

MOSFET의 눈사태 붕괴 현상을 방지하는 방법

- 채널의 길이를 길게 한다.

- 기판영역의 도핑 농도를 낮춘다.

- 기판을 충돌 이온화에 필요한 에너지가 큰 재료를 사용한다.

 

하지만 위 방법들은 MOSFET의 성능 저하를 함께 일으킨다. 따라서 채널 길이와 기판 농도는 바꾸지 않고 드레인 접합 부분에 낮게 도핑된 드레인(Lightly Doped Drain : LDD)을 추가 주입해서 높은 드레인 전압에서도 눈사태 붕괴 현상을 방지할 수 있다.

 

 

 

요약

큰 드레인 전압이 인가되면 MOSFET의 운동에너지는 드레인 전압에 의한 수평 방향 전계의 세기와 평균 충돌거리에 따라 결정된다.

과열 이동전하는 충돌 이온화로 전자-정공 켤레를 생성하여 MOSFET의 전기적 특성을 변화시킨다.

MOSFET의 눈사태 붕괴를 방지하기 위해 채널 길이를 길게 하거나 기판 영역의 도핑 농도를 조절하는 대신 LDD(Lightly Doped Drain)을 추가하여 눈사태 붕괴 현상을 피한다.

 

 

 

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참고

MOSFET의 채널전하가 수평 방향 전계에 의해 이동할 때 평균적으로 그 속도가 일정한 이유

수평 방향 전계에 의해 얻는 운동에너지 = 평균 충돌거리만큼 이동하면서 격자충돌에 의해 잃는 운동에너지

 

MOSFET의 눈사태 붕괴 현상을 방지하는 방법이 불러오는 성능 저하

1) 채널의 길이를 길게 했을 경우

- 전류 구동 능력 저하

- 전달 컨덕턴스 저하

 

2) 기판영역의 도핑 농도를 낮출 경우

- MOSFET의 임계전압 변화

 

3) 드레인 접합 부분에 낮게 도핑된 드레인(LDD)을 사용했을 경우

- 소스와 드레인 기생 저하 증가

- 드레인 전압에 의한 *채널길이 변조 현상 발생

 

* 채널길이 변조 현상: 포화영역 상태 전압을 넘어서는 큰 드레인 전압이 인가되었을 때 채널길이가 짧아져서 드레인 부근의 채널 일부가 소멸되는 현상