MOS 구조 & MOSFET

1. MOS Structure

MOS Structure는 Metal(Gate) - Oxide(Insulator) - Semiconductor의 약자로 반도체와 절연체(Oxide)와 도체(Metal)을 쌓아서 올린 구조를 말한다. 이 때 Semiconductor가 N형이면 NMOS, P형이면 PMOS라고 부르며, Oxide는 SiO2(실리콘 다이옥사이드)로 전류가 통하지 않는다. 

 

[그림] MOS Structure

외부의 신호를 전달받는 Gate는 초기에는 Metal로 구현되었다. 때문에 MOS라고 불렸고 현재도 MOS라고 부른다. 1970년대부터는 Metal대신 Polysilicon을 사용하다가 2007년부터 성능향상을 위해 다시 Metal을 사용하기 시작하였다. Silicon Wafer위에서 MOSFET을 만드는데 이 부분이 가장 기본 토대가 된다고 생각하면 된다.

 

[그림] NMOS 예시

NMOS를 예시로 보자. NMOS는 기본적으로 P형 반도체를 사용한다. 그리고 Gate(Metal)과 Insulator(Oxide)가 쌓아 올려진 부분 옆에 N-Type 도핑을 해면 (5족 원소를 대체 삽입시켜 공유결합시키면) 반도체 내부에 Free Carrier 전자가 매우 많이 생기고 위의 그림처럼 N+ Region 2개가 생기게 된다. 이 N+ Region에서 음전하를 띄는 Carrier (전자)를 공급받아서 전류를 흘리게 된다. (NPN의 형태가 된다.)

 

2. MOSFET

MOSFET의 MOS는 위에서 언급한 MOS이고, FET는 Field Effect Transistor의 줄임말이다. 즉 전계 효과 (Field Effect)를 활용하는 트랜지스터라는 것이다. 이는 Reverse Bias의 힘을 이용하여 증폭시키는 직접연결 트랜지스터(PNP, NPN 등)과는 확연히 다르다.

 

[그림] 양전압을 가하면 전자가 위로 몰려든다.\

만일 우리가 Gate에 양전압을 가하면 Oxide 아래로 전자들이 몰려들게 되는데 이 부분은 본래 P형 반도체 부분으로 Carrier가 Hole이였다. 그러나 Oxide 아래 영역에 N형 Carrier인 전자가 Hole보다 많아지게 되고 이 것을 Channel Inversion이 일어났다고 한다. (Channel은 전자들이 몰려있는 영역으로, 위의 분홍색 영역에 해당한다)

 

3. Source & Drain

두개의 N+ Region에 서로 다른 전압을 가해서 흐르는 전류를 조절할 수 있다. 이 두부분을 소스와 드레인이라고 한다. 이 두 부분(Source, Drain)은 물리적으로 똑같다. 그러나 높은 전압을 가해준 N+지역을 Drain이라고 하고, 상대적으로 낮은 전압을 가해준 N+ 지역을 Source라고 부른다 (이는 NMOS의 경우 그렇고, PMOS는 반대이다) 따라서 만약 왼쪽에 고전압을 가해주면 Drain - Source 구조가 되고, 오른쪽에 고전압을 가해주면 Source - Drain 구조가 된다. 즉, 전압에 따라 Source와 Drain은 뒤바뀔 수 있다. (Interchangable 하다!)

 

 

만약 이 두 영역 (드레인과 소스)사이의 전압 차이(V_ds)가 일정 수준 이상이 되면 채널에 몰려있던 전자들이 Drain으로 빨려서 나가게 된다. 

 

 

반면 PMOS는 NMOS와 모든 것이 반대이다. PMOS는 메인으로 N형 반도체를 사용하며 Oxide 주변에 P type 도핑을 걸어주면 두개의 P+ Region이 형성된다. 이 때 Gate에 음전압을 걸어주면 P+ Region에서 만들어진 정공들이 Channel(Oxide 아래)로 몰리게 된다. (다른말로 전자들이 이 영역을 피한다) PMOS의 경우 전압이 더 높은 쪽이 Source이고 전압이 낮은쪽이 Drain인데, 소스와 드레인사이의 전압차이 V_sd가 일정 수준 이상이 되면 채널에 몰려있던 정공들이 Drain으로 정공들이 모두 이동한다.

 

4. MOSFET as Switch

 

[그림] PMOS와 NMOS의 회로도 기호

 

NMOS와 PMOS를 이용해 스위치를 고안할 수 있다. 만약 양전압이 주어진다면 NMOS는 전기가 흐르고 PMOS는 전기가 흐르지 않고, 음전압이 주어진다면 PMOS는 전기가 흐르고 NMOS는 전기가 흐르지 않게 된다. 전자의 흐름 방향과 전류의 흐름방향은 반대이므로 NMOS의 경우는 Drain에서 Source로 전류가 흐르고, PMOS의 경우는 Source에서 Drain으로 전류가 흐른다. 이 NMOS와 PMOS는 NOT 게이트, AND 게이트 등을 구현하는데 용이하게 사용된다.