반도체 기초 Chapter 11 - 2. MOS 구조의 에너지 대역도
Chapter 11 - 2. MOS 구조의 에너지 대역도
MOSFET의 수직 방향 전계에 의한 채널영역의 전하량 변화는 MOS 구조와 게이트 전압이 결정한다.
열평형 상태의 에너지 대역도는 pn 접합 다이오드의 에너지 대역도와 유사하다.
pn 접합 다이오드에서 전자와 정공에 대한 에너지 장벽이 낮아지는 전압을 순방향 전압이라고 정의한다. 하지만 MOS에서는 전자와 정공에 대한 에너지 장벽이 높아지는 전압을 양의 게이트(gate) 전압이라고 정의한다. 따라서 pn 접합 다이오드에서의 순방향 전압과 MOS 구조에 양의 게이트 전압이 가해질 때 현상의 차이가 있다는 것을 알고 있어야 한다.
- MOS 구조의 열평형 상태의 에너지 대역도
접합을 형성하기 전의 열평형 상태에서 모든 영역에서 E_F가 일정함을 이용해서 에너지 대역도를 그릴 수 있다. n+ poly si 게이트와 p형 기판은 균일한 도핑 분포를 갖는다. n+ poly si 게이트와 p형 기판의 전자와 정공 농도 차이 때문에 공간전하 영역이 형성되고 전계와 에너지 장벽이 만들어진다. 중성 영역과 공간전하 영역의 경계가 명확한 것을 가정한 뒤 게이트 공간전하 영역 두께와 p형 기판의 공간전하영역 두께를 임의로 정의한다.
접합 경계면의 전자 친화도와 에너지 밴드갭 차이로 인해 전도 대역과 가전자 대역에서 에너지가 연속적이지 않다. 따라서 전자에 대한 에너지 장벽과 정공에 대한 에너지 장벽 차이가 발생한다.
- 전압이 인가된 MOS 구조의 에너지 대역도
전압이 인가된 MOS 구조의 에너지 대역도는 게이트(gate) 전압에 의한 수직 방향 전계 효과를 반영한 전하밀도 분포, 기판 전하량의 변화에 따라 열평형 상태의 에너지 대역도와 차이가 있다.
게이트 전압으로 MOSFET 반도체 기판 반전층의 전하량을 조절한다. 그리고 기판 표면의 전하량은 에너지 대역도와 표면전위를 통해 알 수 있다. MOS 구조를 가진 비휘발성 메모리의 동작을 이해하기 위해서 인가전압에 따른 에너지 대역도와 전하량 분포의 변화를 알아야한다.
공핍 상태의 전압이 인가된 MOS 구조의 에너지 대역도
게이트에 전압이 인가되었지만 기판 공간전하 영역 내에 전자와 정공이 생성되지 않고 유지할 때를 기준으로 한다. '중간 전압'으로서 p형 기판과 게이트 영역의 공간전하 영역에 이온화된 억셉터와 이온화된 도너만 고정된 전하로 존재하는 때이다.
MOS 구조에서 게이트 공간전하 영역, 산화막 공간전하 영역, 기판 공간전하 영역 내의 전계 방향은 모두 게이트에서 기판으로 향하는 방향이다. 이 중에서 산화막 내의 전계 세기가 가장 강하다. 따라서 전자와 정공이 몰리게 된다.
참고
MOS 구조에서 게이트의 재료로 금속 또는 poly-si를 사용한다. 각각 제조공정의 편의성, 소자의 신뢰성, 전기적 특성에서 장단점이 있다. 사용 용도에 따라 제조를 결정한다.
게이트에 poly-si로 높게 도핑하면 캐리어 농도가 높기 때문에 전기 전도도가 매우 높고 과잉 캐리어의 평균 수명과 확산 길이가 매우 짧아서 금속과 유사한 특성을 지닌다. 따라서 금속 게이트와 poly-si 게이트의 일함수가 같다면 MOSFET의 전기적 특성은 같다.