MOS Transistors

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MOS

MOS는 Metal-Oxide-Semiconductor의 줄임말로 Metal로 이루어진 conductive plate, Oxide로 이루어진 insulator, Semiconductor로 이루어진 substrate를 조합하여 transistor를 설계하여 집적 회로의 나노단위 초소형화와 성능 향상에 결정적인 역할을 한 기술이다.

MOSFET은 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor의 줄임말로 MOS 기술을 이용하여 현대의 반도체에 가장 널리쓰이는 트랜지스터이다.

Gate는 MOSFET의 상단 제어 단자로 전압을 인가하여 source와 drain 사이의 전류 흐름을 제어하는 역할을 한다.

Source와 Drain은 위의 경우에는 heavily-doped N-type 소재에 있는데 source로 전류가 흘러들어가고 drain이 배수구 같은 역할을 한다. 둘의 위치는 interchangable 즉 서로 바꿔도 되는 것이다.

고농도로 N-type으로 doped되고 p-substrate를 가진 경우는 NMOS라고 부르고 P-type으로 doped되고 n-substrate를 가진 경우는 PMOS라고 부른다. 회로를 그릴때는 아래와 같이 그린다.

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MOS basic operation

MOS는 아래와 같이 공핍층으로 인해 멈춰있던 전류가 metal에 전압이 가해지며 틈이 점점 넓어져서 전하가 이동할 수 있도록 길이생기며 전류가 흐르게 되는 것을 이용한 장치이다.

Drain과 source의 방향을 결정하는 것은 전압이다. NMOS에서는 Source의 전압이 Drain의 전압보다 낮고, PMOS에서는 Drain의 전압이 Source의 전압보다 낮다. 정확히 말하면 전압에 따라 Source역할을 하거나 Drain역할을 하게 되는 것이다. 이때 Source의 전압을 reference 전압이라고도 부르는데 gate의 전압에서 reference전압을 뺀 값이 threshold보다 커야 전류가 흐른다.

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MOS current flow

Q=CV, v=-μE, I=Qv를 이용하여 식을 유도해보면 아래와 같이 결과를 낼 수 있다.

위 식에 따라서 그래프는 아래와 같이 그려지고 max지점에 도달하면 전류는 그대로 유지된다.

이때 식에 대해서 살펴보면 L이 작아질수록 전류가 강해진다는 것을 알 수 있다.

Highly Doped된 부분간의 거리가 L임을 알 수 있다. 이 부분의 거리에 따라 10나노 공정, 3나노 공정이라고 부른다는 것을 알게 되었다.

평소에도 몇나노 공정이라는 말을 들을때 그게 정확히 어느 부분인지 몰라서 궁금했는데 알게되어 즐겁다.

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