MOSFET

집적회로의 일등공신.

개요

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)의 약칭, 모스펫이라고 부른다

Oxide가 절연체(Insulator) 역할을 하므로, Metal Insulation Semiconductor Field Effect Transistor(MISFET) 이라고도 한다. 하지만 모두 모스펫으로 부른다

구조

n 타입 MOSFET의 구조도

n 타입 MOSFET에는 p타입 물질 기반에 n타입으로 도핑된 물질이 있고, 그 위에 산화물 (Oxide, 여기서는 이산화규소), 그 위에 메탈(Metal)이 올라가있는 형태이다.

여기서 주로 규소가 쓰이는데

• 금속 (Metal): polycrystalline silicon(도핑된) 다결정 실리콘

다결정 실리콘이 고온에서 산화막(SiO₂)과 반응하지 않는 특성으로 인해 1970년대 이후에는 다결정 실리콘이 쓰이게 되었다. 그 이전까지는 금속인 AI을 사용했다. 실리콘은 금속(metal)이 아니지만, 알루미늄을 쓰던 시절부터 MOS라고 불러서(...) 계속 MOS로 묶여서 불릴 예정인듯 하다.

• 산화막 (Oxide): SiO₂(이산화규소)

순수한 실리콘에 산소 또는 물을 접촉하여 제조한다. 산소를 사용하면 건식 산화, 물을 사용하면 습식 산화. 꽤 두꺼워 보이지만, 실제로는 몇 nm 정도다. 얇으면 얇을 수록 스위칭 속도가 빠르며 subthreshold swing이 작아지며 [math]\displaystyle{ V_t }[/math] roll-off 현상을 보정할 수 있어 좋지만, 너무 얇을 경우 누설 전류가 발생할 수 있고 큰 전기장이 걸렸을 때 고장날 가능성이 있다.

• 반도체 (Semiconductor): Si(규소)

고순도 실리콘을 이용한다. nMOS의 경우 p타입 기판 위에 n타입으로 고도로 도핑된 소스와 드레인이 존재한다. 흔히 14나노 공정이니 7나노 공정이니 하는 얘기는 소스와 드레인 사이의 거리를 말하는 것이다.

원리

게이트(G)에 전압을 걸어 소스(S)와 드레인(D)에 흐르는 전류를 제어할 수 있다.

역사

MOSFET의 관련 특허는 Julius Edgar Lilienfeld가 1926년에 출원했지만, (접합형 트랜지스터(BJT)가 나온 1947년보다 빠르다!) 기술력 부족으로 인해 John Atalla 와 Dawon Kahng에 의해 1960년이 되어서야 개발되었다.

종류

FinFET

FinFET

전통적인 평면 트랜지스터와는 다르게 3D 입체 구조를 잘 활용하여 제작된 트랜지스터로 소스와 드레인 사이가 매우 얇은 Fin이라는 구조로 되어 있고, 이를 게이트가 감싸는 식으로 되어 있다. 누설 전류가 매우 작으면서도 7nm 이하로 매우 작게 만들 수 있고 스위칭 속도가 빨라 현재 많이 사용되고 있는 방식이다.

CMOS

CMOS inverter

이와 관련한 주제는 CMOS에서 다룹니다.

Complementary MOS. nMOS와 pMOS을 상보적으로 사용하는 회로이다.

참고문헌

• Chenming Calvin Hu, Modern semiconductor devices for integrated circuits, Pearson, (2009) ISBN 9780137006687