gm을 키우는 법: 트랜지스터 입장에서
증폭기 이득, 대역폭, 노이즈 — 거의 모든 아날로그 성능이 gm에 비례한다. 그런데 "gm을 올리려면 W/L을 키워라"는 조언은 반만 맞다. 어느 영역에 있느냐에 따라 같은 손잡이가 잘 듣기도, 전혀 듣지 않기도 한다. 이 장에서는 트랜지스터 하나를 놓고 gm을 올리는 모든 방법을 영역별로 따져 본다.
- gm = (gm/ID) × ID 분해로 "전류"와 "효율" 두 손잡이를 구분할 수 있다.
- 약반전·강반전에서 ID, W/L, tox, µ, 온도가 gm에 주는 효과를 정량적으로 말할 수 있다.
- W/L을 키울 때의 수확 체감과 약반전 상한 ID/(nUT)를 안다.
- gm을 깎아 먹는 함정(트라이오드, 기판 효과, 이동도 열화)을 피할 수 있다.
gm = 효율 × 전류
가장 쓸모 있는 한 줄은 이것이다.
그러니까 gm을 올리는 방법은 원리적으로 두 가지뿐이다. ① 전류를 더 쓰거나, ② 같은 전류에서 효율 gm/ID를 높이거나. 그리고 8장에서 본 것처럼 효율은 반전 정도(IC)의 함수이므로, ②는 곧 "소자를 더 약반전 쪽으로 보내라"는 뜻이다. W/L을 키우는 것, tox를 줄이는 것, 이동도를 올리는 것은 모두 결국 이 두 손잡이 중 하나를 돌리는 다른 방법일 뿐이다.
약반전: gm = ID/(nUT)
- 효율이 이미 최대 (≈ 28.8 /V)
- W/L, µ, Cox에 무관
- 올릴 수 있는 것: ID, (n ↓), (T ↓)
- ID 2배 → gm 2배
중간 반전: EKV
- \(g_m=\frac{I_D}{nU_T}\cdot\frac{2}{1+\sqrt{1+4IC}}\)
- 모든 손잡이가 '조금씩' 듣는다
- W/L 2배 → 약 1.1–1.35배
강반전: \(g_m=\sqrt{2\mu C_{ox}\frac{W}{L}\frac{I_D}{n}}\)
- = 2ID/Vov = (β/n)Vov
- ID, W/L, µ, Cox 모두 제곱근으로 효과
- ID 2배 → √2배, W/L 2배 → √2배
"W/L을 2배로 하면 gm이 2배"라는 말은 VGS를 고정했을 때의 이야기다. 이 경우 전류도 2배가 되므로 사실상 ①(전류)을 돌린 것이다. 실제 아날로그 회로는 대개 전류원으로 바이어스하므로 ID 고정이 기준이고, 그때 W/L 2배의 효과는 강반전에서 √2배, 약반전에서 거의 0이다.
gm–ID 지도: 어느 손잡이가 듣는가
W/L별로 gm을 ID에 대해 로그–로그로 그리면 모든 것이 한눈에 보인다. 약반전에서는 모든 곡선이 하나의 직선 ID/(nUT)(기울기 1)로 합쳐지고, 강반전에서는 W/L마다 갈라진 기울기 ½의 직선이 된다.
gm vs ID — W/L 가족과 약반전 상한
두 민감도(∂ln gm/∂ln ID, ∂ln gm/∂ln(W/L))는 "그 손잡이를 1% 돌리면 gm이 몇 % 오르나"다. 강반전에서는 둘 다 0.5, 약반전에서는 1과 0. 그리고 두 민감도의 합은 영역과 상관없이 항상 1이다 — 전류 밀도(ID/(W/L))만 같으면 gm/ID가 같기 때문이다.
손잡이 대시보드
현재 동작점에서 손잡이 하나씩만 돌렸을 때 gm이 얼마나 변하는지 정확한 모델로 계산했다. 바이어스 방식(전류 고정/전압 고정)에 따라 결과가 크게 달라지는 것을 확인하자.
손잡이 하나씩 돌려 보기 — gm 변화율
| 손잡이 (ID 고정) | 약반전 | 강반전 | 대가 · 부작용 |
|---|---|---|---|
| ID ↑ ×2 | ×2 | ×√2 ≈ 1.41 | 전력 ×2. 강반전 쪽으로 이동(효율 ↓) |
| W/L ↑ ×2 | ≈ ×1 | ×√2 | 면적·Cgg ↑ → fT ↓, 약반전 쪽으로 이동 |
| tox ↓ ×½ | ×1.1~1.2 (n ↓) | ×√2 (Cox ↑) | 공정 선택. 게이트 누설 ↑, VT 변화 |
| µ ↑ (스트레인 등) | ≈ ×1 | ×√(µ비) | 공정 선택. NMOS가 PMOS보다 유리한 이유 |
| L ↓ (W/L 유지) | ≈ ×1 | ≈ ×1 (장채널) | 면적·Cgg ↓ → fT ↑. 단, ro ↓, 단채널 효과 |
| T ↑ | ∝ 1/T | ∝ T−0.75 (µ ∝ T−1.5) | 환경 조건. 바이어스 회로로 보상 |
| VSB ↑ (소스 ≠ 바디) | ≈ ×1 (n ↓로 아주 약간 ↑) | ≈ ×1.03 (n ↓, 같은 ID) | gm 자체는 거의 그대로지만 VT ↑ → 헤드룸 ↓, 그리고 gmb가 생겨 회로 이득을 깎는다 |
W/L을 키우면 생기는 일: 수확 체감
전류를 고정하고 W/L만 키워 보자. 처음(강반전)에는 √(W/L)로 gm이 오르지만, IC가 1 아래로 내려가면서 증가가 둔해지고, 약반전에서는 상한 ID/(nUT)에 붙어 더 이상 오르지 않는다. 그 사이 게이트 면적은 W/L에 비례해 계속 커지고 fT는 떨어진다.
ID 고정, W/L 스윕 — gm과 대가
W/L이 5 아래로 묶여 있으면 Ispec ≤ 1.5 µA다. 그래서 ID가 15 µA를 넘으면 무조건 강반전(IC > 10)이고, 효율 손잡이(W/L)의 여유가 거의 없다. 이때 gm을 올리는 현실적인 손잡이는 전류(√로 듣는다)와 소자를 여러 개 병렬로 쓰는 것(사실상 W/L ↑)뿐이다. 반대로 ID가 150 nA 아래라면 W/L < 5로도 약반전에 들어가 이미 상한에 가깝다 — 그때는 W/L을 만질 이유가 없다.
gm을 깎아 먹는 함정
① 트라이오드로 떨어지기
gm = ∂ID/∂VGS는 포화 영역에서 최대다. VDS가 VDsat 아래로 내려가면 강반전 gm ≈ βVDS로 급감한다. 약반전은 VDsat ≈ 0.1 V라 이 함정에 잘 빠지지 않지만, 강반전은 VDsat = Vov/n이 수백 mV라 저전압 회로에서 흔히 빠진다.
② 이동도 열화와 속도 포화
강반전에서 Vov를 계속 올리면 수직 전계가 이동도를 깎고(θ), 단채널에서는 속도 포화로 gm이 W·Cox·vsat에 포화된다. 전류를 늘려도 gm이 더 이상 따라오지 않는 '천장'이다.
gm vs VDS, gm vs VGS
③ 기판 효과: gmb
소스가 바디에 붙어 있지 않으면 바디도 '두 번째 게이트'가 되어 gmb = (n−1)gm의 트랜스컨덕턴스가 생긴다. 소스 팔로어에서 이득은 gm/(gm+gmb) = 1/n ≈ 0.75로 떨어진다. 기준 소자(n ≈ 1.34)에서 gmb/gm ≈ 0.34 — 무시할 수 없는 크기다. tox를 줄이거나 도핑을 낮추면(n ↓) 줄어든다.
gm 올리기 체크리스트
핵심 정리
- gm = (gm/ID) × ID. 손잡이는 결국 "전류"와 "효율(= 반전 정도)" 두 가지.
- 약반전: gm = ID/(nUT) — W/L, µ, Cox 무관. 강반전: gm = √(2µCox(W/L)ID/n) — 모두 √로.
- ID 고정에서 W/L ↑는 강반전에서만 효과가 있고, 약반전 상한에 가까워질수록 수확 체감. 면적과 fT를 대가로 치른다.
- 민감도 합: ∂ln gm/∂ln ID + ∂ln gm/∂ln(W/L) = 1 (강반전 ½+½, 약반전 1+0).
- 함정: 트라이오드(VDS < VDsat), 이동도 열화·속도 포화, 기판 효과(gmb = (n−1)gm).