MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
MOSFET (금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)
> PMOS에서는 정공이 전류를 이루는 캐리어가 되며, NMOS에서는 전자가 전류를 이루는 캐리어가 됩니다
> 스위치 동작 원리: Gate에 전압이 가해지면, Substrate에서의 전자 (혹은 정공)분포가 영향을 받아 채널이 형성되어 전류가 흐를 수 있는 길이 생기게 되며 이로 인해 증폭기 및 스위치로서 사용가능
> Gate - Oxide -Body가 Stack되어있는 형태이며 Capacitor와 형태와 유사 (Gate, Body: Conductor/ Oxide: Insulator)
1. Gate Material의 변화: Metal -> Polysilicon -> Metal
-> Gate 부분은 빠르게 MOSFET 동작에서 딜레이를 최소화할 수 있어야 합니다. 따라서 처음에는 알루미늄과 같은 금속을 사용하여 게이트를 빨리 열고 닫을 수 있게 하였습니다. 하지만 공정과정에서 낮은 녹는점과 함께, metal은 Doping을 할 수 없어 Threshold voltage를 조절할 수 없는 단점이 있었습니다
-> 그렇게하여 사용하게 된 것이 High doped polysilicon입니다. 실리콘은 SiO2와 접촉특성이 좋고, Doping의 농도 정도에 따라 Threshold voltage를 조절할 수 있으며, 녹는점 또한 높다는 장점이 있습니다.
-> 하지만 Technology scailing (Scale down)로 인해 MOS의 집적도가 높아지고, 사이즈가 줄어들면서 SiO2가 얇아져 Tunneling에 의해 누설전류와 같은 문제점이 생기게 되었고, 또 Gate에 사용되는 Polysilicon의 두께 또한 얇아지면서 Threshold voltage를 조절하는 것 또한 어려워지게 됩니다 (도핑농도에 따라 문턱전압이 크게 변하게 되므로)
-> SiO2가 얇아짐에 따라, High-k의 유전체(HfO2)를 사용하여 Technology scailing에 의한 문제점을 최소화하려 했으나, Polysilicon과 유전체 접합 부분에서 SiO2가 층이 형성되게 되어 이에 의한 Parastic Capacitance가 나타납니다. 이러한 기생 캐패시턴스는 Delay 및 Power에서 안 좋은 영향을 끼치게 되며, 이러한 이유로 다시 Gate는 Metal을 사용하게 됩니다 => HKMG (Hige k metal gate)의 탄생
2. 동작원리
> Gate에 Threshold voltage 이상의 전압이 가해지는 경우, 절연체 밑에 Inversion layer (Channel)이 생기게 됩니다. 그 이후, V_DS (Source와 Drain사이의 전압)가 걸리게 되면 전류가 흐르게 됩니다
-> V_gate: 채널을 열고 닫기만 하는 역할
-> V_DS: 채널이 열렸을 때 전류를 흐르게 하는 역할 (채널이 안 열렸을 경우, 전류는 흐르지 않음)
-> Pinch off: V_D가 어느 이상 증가하게되면 V_GD<Vth되는 순간이 생기며 이 때, Pinch off가 되어 전류의 양은 Saturation이 됩니다
