Chapter 12 - 7. MOSFET의 소형화로 인한 특성 변화
- 채널의 길이에 따른 MOSFET의 속도 포화와 드레인 전류의 변화
채널 길이에 따라 드레인 전류 포화가 일어나는 원인이 다르면 전류-전압 관계식도 달라진다.
- MOSFET의 채널 길이가 긴 경우
1) 채널의 길이가 긴 MOSFET에서는 채널 소멸에 의한 드레인 전류 포화가 일어난다. 이때 드레인 포화 전압은 임계전압과 게이트 전압에 의해 결정된다.
2) 채널 길이가 길어서 수평 방향 전계가 약하다. 따라서 드레인 전압이 증가하면 채널 소멸 현상이 캐리어의 속도 포화 현상보다 먼저 일어난다.
3) 드레인 포화 전류는 유효 게이트 전압의 제곱에 비례한다.
- MOSFET의 채널 길이가 짧은 경우
1) 속도 포화에 의한 드레인 포화 전류가 생성된다.
- 드레인 포화 전압은 채널의 길이에 의해 결정된다.
- 드레인 포화 전류는 게이트 전압에 비례한다.
2) 채널 길이가 짧아서 수평 방향 전계가 강하다. 따라서 드레인 전압이 증가하면 캐리어의 속도 포화 현상이 채널 소멸 현상보다 먼저 일어난다.
- 수직 방향 전계에 의한 이동도 변화와 이동도 동일 법칙
MOSFET의 채널 캐리어의 이동도는 채널 내에서 일정하다고 가정했다. 하지만 가정과 다르게 채널 캐리어의 이동도는 변화한다.
게이트 전압이 낮을 때
- 기판의 불순물 도핑 농도에 따라 이동도가 변화한다.
게이트 전압이 높을 때
- 수직 방향 전계가 클수록 격자 충돌이 빈번해져서 이동도는 감소한다.
이동도 동일 법칙 (mobility universality)
기판의 불순물 도핑 농도와 관계없이 이동도가 수직 방향 전계에만 의존
- MOSFET의 소형화로 인한 전기적 특성 변화
MOSFET의 소형화하면 채널의 길이는 짧아지고 폭도 좁아진다.
- 강한 반전 상태에서의 채널길이 변조 현상
- 약한 반전 상태에서의 에너지 장벽 저하 현상
- 채널의 폭이 넓은 MOSFET보다 임계전압 증가
- 채널이 긴 MOSFET보다 임계전압 감소
- MOSFET의 누설 전류
차단 영역 누설 전류
차단 영역에서 게이트에 큰 음의 전압을 인가했을 때 큰 드레인 누설 전류가 생성된다. 저전력 회로의 성능을 낮추기 때문에 잘 동작할 수 있도록 이를 개선하기 위한 방법이 필요하다.
요약
MOSFET의 채널 길이에 따른 드레인 전류 포화는 채널 길이가 길 때는 채널 소멸에 의해, 짧을 때는 속도 포화에 의해 발생한다.
MOSFET의 이동도는 게이트 전압에 따라 변화하며, 수직 방향 전계 증가로 인한 격자 충돌이 이동도를 감소시킨다.
MOSFET의 소형화로 인한 특성 변화는 임계전압의 변화와 누설 전류 증가 등을 포함한다.
참고
길이가 짧은 채널을 가진 MOSFET은 소스와 드레인 부근에서 공간전하 공유현상으로 인해 임계전압이 감소한다.
MOSFET의 캐리어는 공간적 위치에 따라 이동도가 다르다. 채널 캐리어의 유효 이동도는 채널 전하의 이동도의 평균이다. 그리고 수직 방향 전계가 증가할수록 이동도는 감소한다.
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