MOSFET

집적회로의 일등공신.

1 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

2 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.

3 원리

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

4 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.

5 종류

5.1 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.

6 CMOS

CMOS inverter

이와 관련한 주제는 CMOS에서 다룹니다.

Complementary MOS. nMOS와 pMOS을 상보적으로 사용하는 회로이다.

7 참고문헌

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