MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 동작원리

이상적인 MOS 구조에서 band diagram 

이상적인 경우에는 Metal과 Semiconductor의 vacuum level과 work function(fermi energy) 의 차이가 없어서 energy band가 평평하게 유지 되지만, 실제 device에서도 과연 그럴까요?

실제 소자에서는 metal과 semiconductor의 Fermi energy에 차이가 있다면 이것이 oxide와의 표면에 전하가 쌓이면서 band bending이라는 것이 일어납니다.

(c) charge neutrality 에서의 에너지 밴드 다이어그램 (d) equilibrium 상태에서의 에너지 밴드 다이어그램

실제 소자에서   metal과 semiconductor의 work function, 즉 Fermi level에 차이가 있다면 oxide와의 표면에 전하가 쌓이면서 쌓인 전하들이 만들어낸 전기장에 의해 전압차가 생긴다.

MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 기초

MOSFET은 transistor의 한 종류입니다.

transistor라는 소자를 간략하게 설명하자면
Source와 Drain 이라고 부르는 두 부분과, 이 두 부분 사이에 흐르는 전류를 직접적인 접촉 없이
외부에서 바꿔 줄 수 있는 Gate라고 부르는 부분을 가지고 있는, 3-terminal을 갖고 있는 소자입니다.

 

Source와 Drain 사이에 V_DS라고 부르는 전압을 전류가 흐를 수 있는 반도체로 이루어진 채널에 걸어주고,  oxide로 채널과는 분리가 되어 있는 Gate쪽에 gate voltage 라고 부르는 V_G를 걸어줍니다. Gate에서 생성된 채널과의 전위차로 인해서 전기장이 생성되게 됩니다

Gate에 전압을 걸어도 Oxide 라는 부도체로 아래의 반도체 부분과 분리되어 있기 때문에

이상적으로는 Gate와 channel 사이에는 전기장만 생성 될 뿐, 전류가 흐르지 않습니다.
(하지만, 실제로는 어느정도의 leakage current가 생길 수 있습니다.)

Oxide 물질은 대부분 dielectric 입니다.

 

dielectric 이란?

Dielectric 물질은 기본적으로 부도체이지만 위의 그림과 같이 외부에서 전압차에 의해 전기장이 생성되면 분극(polarize) 현상이 생기면서 전기장은 통과 할 수 있는 물질이다.Gate에 전압을 걸어주면 oxide 아래에 있는 semiconductor 에는 전기장(electric field)를 가해 줄 수 있게 됩니다.  Gate(Metal)에서 Oxide를 통해 걸어주는 전기장의 효과 (electric Field Effect)로 아래층의 Semiconductor 가 Transistor로서 작동하게 되는 것입니다.

MOSFET의 동작원리

 

 

NMOS 게이트의 전압이 없을 때

 

게이틔 전압이 문턱 전압을 넘기지 못했을 때

 

문턱 전압을 넘어서 채널(channel)이 형성됨

일정 전압까지 전류 이동이 증가게이트의 전압을 높이면 반전층이 더욱 확대되면서 전자의 이동은 증가합니다.  반전층이 넓어질수록 선형영역이 넓어지므로 컨덕턴스(conductance,전류가 흐르기 쉬운 정도)가 증가합니다. 

드레인의 전압이 게이트 전압보다 커지면 공핍층이 형성되면서 반전층이 사라져 전류의 이동이 점차 차단됩니다. 이것을 핀치오프(pinch off)라고 합니다. 

 

다음 포스팅에서는 세가지 상태에 대해 알아보자