Chapter 10

판별 실전: 이 소자는 어디에?

지금까지 배운 것을 '도구'로 정리하자. 회로도나 측정 데이터, 시뮬레이션 결과를 보고 트랜지스터가 어느 영역에 있는지 몇 초 안에 말할 수 있도록 — 판별법 다섯 가지, 진단기 하나, 그리고 게임 하나.

IC, g_m/I_D, 국소 SS, V_GS−V_T, 포화 거동으로 영역을 판별할 수 있다.
각 판별법이 실패하기 쉬운 상황을 안다.
무작위 문제에서 단서 두 개만으로 영역을 맞힐 수 있다.

판별법 다섯 가지

#	방법	필요한 것	약	중간	강	주의
1	IC = I_D/I_spec	I_D, W/L, I_spec,□	< 0.1	0.1–10	> 10	가장 튼튼함. I_spec,□는 공정마다 한 번만 뽑으면 됨
2	g_m/I_D	g_m, I_D (시뮬레이터 OP)	> 0.9·g_max	0.35–0.9·g_max	< 0.35·g_max	g_max = 1/(nU_T) ≈ 29 /V
3	국소 SS	log I_D–V_GS 곡선	≈ SS_min	1.1–3×	> 3×	방법 2와 같은 정보 (SS = ln10/(g_m/I_D))
4	V_GS − V_T	V_T(정의 확인!)	≲ −70 mV	−70 ~ +250 mV	≳ +250 mV	V_T 정의·온도·V_SB에 민감
5	포화 V_DS	I_D–V_DS	≈ 0.1 V에서 포화	0.1–0.25 V	(V_GS−V_T)/n	단채널에서는 CLM·DIBL로 흐려짐

시뮬레이터에서 가장 빠른 방법

SPICE의 동작점(.op) 결과에서 g_m과 I_D를 읽어 나누자. g_m/I_D > 25이면 약반전, < 10이면 강반전 — 이 책의 기준 소자 기준. 다른 공정이라면 W/L을 크게 잡은 소자로 g_m/I_D 최댓값 한 번만 확인해 두면 된다.

바이어스 진단기

바이어스와 크기를 넣으면 다섯 판별법을 모두 계산해 비교해 준다. 판별법끼리 의견이 갈리는 경계 근처를 일부러 찾아보자.

SIMULATOR

5-지표 진단기

프리셋

V_GS V_DS V_SB (소스 기준 바디 역바이어스) W (µm) L (µm) t_ox (SiO₂) 기판 도핑 N_A 온도

영역 탐정 🕵️

무작위로 만들어진 기준 공정(SiO₂ 70 Å, N_A = 3×10¹⁷, n⁺ poly, µ = 350 cm²/Vs, 300 K)의 NMOS가 어딘가에 바이어스되어 있다. 단서 두 개를 보고 영역을 맞혀 보자. 이 공정의 상수: I_spec,□ ≈ 0.31 µA (W/L = 1당), V_T ≈ 0.49 V (V_SB = 0, 2φ_F 정의), n ≈ 1.34, g_m/I_D 최댓값 ≈ 28.8 /V, 최소 SS ≈ 84 mV/dec.

GAME

단서 두 개로 영역 맞히기

점수 0연속 0문제 1

문제는 경계(IC = 0.1, 10) 근처를 피해서 만들어진다. 10문제 중 8개 이상 맞히면 감이 잡힌 것이다. 틀리면 해설의 IC 값과 단서를 다시 연결해 보자.

흔한 오해 다섯 가지

✗ "V_GS > V_T이면 강반전이다."
✓ V_T 바로 위는 중간 반전이다. 기준 소자에서 강반전은 V_T + 약 0.29 V부터.

✗ "V_GS < V_T이면 꺼져 있다."
✓ 약반전에서도 nA급 전류가 흐르고 g_m/I_D는 최대다. 저전력 회로는 일부러 이 영역을 쓴다.

✗ "포화 영역이면 강반전이다."
✓ 포화(V_DS 기준)와 반전 정도(V_GS/I_D 기준)는 서로 다른 축이다. 약반전 소자도 V_DS > 0.1 V면 포화다.

✗ "전류가 크면 강반전이다."
✓ 절대 전류가 아니라 I_D/(W/L), 즉 IC가 기준이다. 100 µA도 W/L = 1000이면 약반전에 가깝다.

✗ "약반전 식과 강반전 식 중 하나를 고르면 된다."
✓ 중간 반전(IC 0.1–10, 전류로 두 자릿수!)에서는 둘 다 2배 이상 틀릴 수 있다. EKV나 g_m/I_D 표를 쓰자.

핵심 정리

최우선 판별 지표는 IC(전류 기반)와 g_m/I_D(기울기 기반). 둘은 일대일 대응이다.
V_GS−V_T는 직관적이지만 V_T 정의와 조건에 흔들린다.
포화(V_DS)와 반전 정도(V_GS, I_D)는 독립된 두 축이다.
경험 법칙(기준 소자): g_m/I_D > 25 약반전, < 10 강반전 / IC < 0.1 약, > 10 강.