기준 소자: Planar NMOS
"약반전이냐 강반전이냐"는 소자마다 경계가 다르다. 그래서 이 책은 하나의 구체적인 트랜지스터를 정해 두고, 모든 숫자와 그래프를 그 소자로 계산한다. 이 장에서 그 소자를 해부해 본다.
- 기준 소자(NMOS, planar, n⁺⁺ poly, SiO₂ 70 Å, W/L = 2)의 구조와 각 층의 역할을 설명할 수 있다.
- \(C_{ox}=\varepsilon_{ox}/t_{ox}\)를 계산하고 tox가 게이트 제어력에 미치는 의미를 안다.
- 일함수 차 \(\phi_{ms}\)와 평탄대 전압 \(V_{FB}\)가 어디서 오는지 밴드 그림으로 설명할 수 있다.
- \(V_T = V_{FB} + 2\phi_F + \gamma\sqrt{2\phi_F}\)의 세 항을 각각 물리적으로 해석할 수 있다.
왜 하나의 '기준 소자'인가
"VGS = 0.5 V면 약반전인가?"라는 질문에는 답이 없다. 문턱 전압, 산화막 두께, 도핑, W/L, 흐르는 전류에 따라 같은 0.5 V가 약반전도, 강반전도 될 수 있기 때문이다. 감을 잡으려면 먼저 구체적인 숫자를 가진 하나의 소자에서 시작하고, 그다음 파라미터를 바꿔 가며 경계가 어떻게 움직이는지를 보는 것이 가장 빠르다.
이 책의 기본 우선순위는 아래와 같다. 모든 시뮬레이터는 이 값으로 시작하며, 10장 플레이그라운드에서 자유롭게 바꿀 수 있다.
| 항목 | 기본값 | 이유 · 의미 |
|---|---|---|
| 소자 종류 | NMOS | 전자 채널. 이동도가 정공의 약 3배라 그래프가 보기 좋고, 대부분의 교재가 NMOS로 설명한다. |
| 구조 | Planar (bulk) | 게이트가 위에서만 채널을 제어하는 고전적 구조. 1D MOS 정전기가 그대로 성립한다. |
| 게이트 | n⁺⁺ poly-Si | 페르미 준위가 전도대에 붙어 있어 NMOS의 VT를 낮게(양의 작은 값) 만든다. 폴리 공핍은 무시. |
| 절연막 | SiO₂, tox = 70 Å (7 nm) | 100 Å 미만의 열산화막. Cox ≈ 4.93 fF/µm². 직접 터널링은 무시할 수 있는 두께. |
| 기판 도핑 | NA = 3×10¹⁷ cm⁻³ | VT ≈ 0.49 V가 되도록 고른 값 (0.25–0.35 µm급 공정 느낌). |
| 크기 | W = 2 µm, L = 1 µm (W/L = 2) | W/L < 5. L = 1 µm라 단채널 효과(DIBL, 속도 포화)를 무시한 장채널 모델이 잘 맞는다. |
| 이동도 · 온도 | µn = 350 cm²/Vs, 300 K | 표면 유효 이동도. 온도는 10장에서 바꿔 볼 수 있다. |
그래프는 미리 그려 둔 그림이 아니라, 브라우저 안에서 매번 계산된다. 표면 전위는 1D 포아송 방정식의 정확한 해(전하 시트 근사 없음)로 구하고, 드레인 전류는 채널을 따라 반전 전하를 적분하는 Pao–Sah 형 적분 \(I_D=\mu\frac{W}{L}\int_{V_S}^{V_D}|Q_i(V)|\,dV\)로 계산한다. 그래서 약반전·중간·강반전이 하나의 식에서 자연스럽게 나온다.
3D로 보는 구조
소스와 드레인은 p형 기판에 고농도로 주입한 n⁺ 영역이다. 그 사이 표면 위에 얇은 SiO₂와 n⁺ 폴리실리콘 게이트가 놓인다. 게이트 전압을 올리면 산화막 아래 실리콘 표면에 전자층(반전층)이 생기고, 소스와 드레인이 연결된다.
NMOS 3D — 게이트 전압에 따라 생기는 반전층과 공핍층
단면도와 레이아웃
위에서 내려다보면 게이트는 활성 영역(active)을 가로지르는 띠다. 채널 길이 L은 게이트 띠의 폭, 채널 폭 W는 활성 영역의 폭이다. 전류는 W/L에 비례하므로 W/L은 같은 전류를 흘릴 때 소자가 얼마나 강하게 반전되어야 하는지를 결정한다 — 7장에서 핵심이 된다.
레이아웃 탑뷰 — W, L을 바꿔 보자
게이트 산화막과 Cox
게이트–산화막–실리콘은 평행판 커패시터다. 단위 면적당 산화막 커패시턴스는
Cox는 "게이트가 표면을 얼마나 꽉 쥐고 있는가"를 나타낸다. 실리콘 쪽에는 공핍층 커패시턴스 Cdep = εSi/xd가 직렬로 붙는데, 둘의 비율이 3장의 기울기 계수 n = 1 + Cdep/Cox를 결정한다. n은 약반전 전류의 기울기를 정하는, 이 책에서 가장 중요한 숫자 중 하나다.
tox → Cox, n, 서브스레숄드 스윙
일함수와 평탄대 전압
게이트와 기판은 서로 다른 물질(혹은 다른 도핑의 같은 물질)이다. 둘의 페르미 준위가 다르기 때문에 연결하는 순간 전자가 이동해 외부 전압이 없어도 밴드가 휜다. 이 휨을 펴서 실리콘 밴드를 평평하게 만드는 게이트 전압이 평탄대 전압 VFB다.
접촉 전 밴드 정렬 — 게이트 재료를 바꿔 보자
문턱 전압은 세 조각으로 만들어진다
고전적 정의에서 문턱은 표면 전위가 ψs = 2φF가 되는 순간, 즉 표면의 전자 농도가 벌크의 정공 농도 NA와 같아지는 순간이다. 이때의 게이트 전압은
VT 워터폴 차트
이 책에서 가장 먼저 깨야 할 오해다. 기준 소자에서 정확히 계산해 보면 VGS = VT에서 소자는 이미 약반전의 끝·중간 반전의 초입에 있고, 진짜 강반전(IC > 10)은 VT보다 약 0.3 V 위에서 시작한다. 3장과 7장에서 그 이유를 본다.
핵심 정리
- 기준 소자: NMOS · planar · n⁺⁺ poly · SiO₂ 70 Å · NA = 3×10¹⁷ · W/L = 2 µm/1 µm. 장채널이라 1D 정전기 + Pao–Sah 적분이 정확하다.
- Cox = εox/tox ≈ 4.93 fF/µm². Cdep/Cox가 기울기 계수 n(≈1.34)을 정한다.
- n⁺⁺ poly와 p-Si의 일함수 차 때문에 VFB ≈ −1.0 V. 게이트 재료는 VT를 통째로 이동시킨다.
- VT = VFB + 2φF + γ√(2φF+VSB) ≈ 0.49 V. 하지만 VT는 강반전의 시작점이 아니다.