반도체 기초 Chapter 11 - 4. MOS 구조의 임계전압과 일함수

반도체 기초 이론 정리

tungtung2 2024. 3. 26. 11:13

Chapter 11 - 4. MOS 구조의 임계전압과 일함수

임계전압은 MOS 구조의 특성에서 가장 중요한 지표이다. 그리고 MOSFET의 동작 상태를 제어할 수 있는 전압이다.

임계전압에 영향을 주는 지표

- 게이트의 도핑 종류와 농도, 기판의 도핑 종류와 농도: 평탄 대역 전압과 기판의 일함수 차이 결정

- MOS 산화막의 두께와 유전 상수: 산화막 정전용량 결정 (산화막의 두께가 얇을수록, 유전 상수가 클수록 임계전압 감소)

- 기판의 도핑 농도와 페르미 전위 (기판의 도핑 농도가 증가할수록 임계전압 증가)

- 임계 상태의 공간전하량: 게이트 산화막 양단의 전압 강하 결정

대부분 경우에 산화막의 재료 또는 두께를 조절해서 임계전압을 제어한다.

트랜지스터의 동작 환경이 변하더라도 임계전압은 일정한 값을 가져야 한다.

온도에 따라 달라지는 요소

- 평탄대역 전압: 온도에 따른 평탄대역 전압의 변화는 매우 작다.

- 기판 영역 페르미 전위: 온도에 따른 기판 영역 페르미 전위의 변화는 작다.

- 공간전하량: 온도에 따른 기판 영역 페르미 전위의 변화는 작다.

- 밴드갭: 온도가 증가할수록 밴드갭은 감소한다.

MOS 구조의 C-V (capacitance - voltage) 특성

게이트 전압 변화에 의해 게이트 정전용량이 변할 때의 특성이다. 이밖에도 게이트 전압 변화에 의해 MOSFET의 전기적 특성이 변화할 때가 많다.

표면 전위에 따른 전하량 또는 기판 정전용량의 변화가 게이트 전압과 드레인 전류의 관계를 결정한다.

MOS 구조의 C-V 특성을 통해서 구할 수 있는 특성변수

- 게이트 산화막의 유전율과 두께

- 기판의 도핑 농도

- 임계전압

- 평탄대역 전압

- 산화막 내의 전하량

- 산화막/기판 경계면에 존재하는 계면 상태의 에너지 분포

게이트 전압 변화에 따른 MOS 구조의 C-V 특성 측정 방법

게이트 전압에 DC 전압과 더불어 일정한 주파수를 가진 정현파 ac 전압을 중첩한다. 이때 흐르는 ac 전류를 측정해서 정전용량을 측정한다.

MOS 구조의 정전용량 등가회로

p형 기판을 사용하는 n-MOS 구조에 인가되는 게이트 전압

= 게이트 영역 전압 + 게이트 산화막 양단의 전압 + 기판 공간전하 영역의 전압

그리고 각각을 3개의 커패시터가 직렬로 연결된 것으로 볼 수 있다. 또한 중성전하 조건에 의해 각 커패시터에 축적된 전하량은 모두 같다. 이를 통해 게이트 커패시턴스(C_g) (게이트 전압 변화에 의한 전하량의 변화)도 구할 수 있다.

게이트 영역 정전용량 (C_pg): 게이트 전압과 기판 영역 정전용량에 영향을 받는다.

산화막 정전용량 (C_ox): 산화막의 두께와 산화막의 유전율에 영향을 받는다. (게이트 전압과 관계없다.)

기판 영역 정전용량 (C_s): 게이트 전압에 영향을 받는다.

요약

MOS 구조의 임계전압은 온도가 증가할수록 소폭 감소한다. (변화는 크지 않다.)

임계전압은 게이트의 도핑, 산화막 두께와 유전상수, 기판 도핑 농도와 페르미 전위 등 여러 요소에 의해 결정된다. 일반적으로 산화막의 재료나 두께를 조정하여 제어된다.

MOS 구조의 C-V 특성을 통해 게이트 산화막의 유전율과 두께, 기판의 도핑 농도, 임계전압 등을 파악할 수 있다. MOS 구조의 정전용량 등가회로를 통해 게이트, 산화막, 기판 영역의 정전용량을 추정할 수 있다.