이상적인 MOSFET이란

MOSFET은 어떤 특성을 가져야 좋은 MOSFET이라고 할 수 있을까. 그것은 크게 2가지로 생각해볼 수 있다.

 

 

Switching Speed

 

 첫번째는 Switching speed이다. TR은 스위치다(물론 증폭기로도 사용된다). 그러므로 OFF상태에서 ON으로 바꾸었을 때 그 속도가 빨라야 한다. 가령, 집에 들어와서 불을 켰는데 스위치를 누르고 10초 뒤에 켜진다고 생각해보자. 매우 불편할 것이다. 하지만 스위치를 누르자마자 1초도 채 되지 않아서 불이 켜지면 정말 편할 것이다. 따라서 아래의 그래프의 경사도(기울기)가 가파를 수록(Steep Slope)일 수록 ON 상태로의 전환이 빠른 것이다.

 

 이러한 가파른 Id의 기울기를 만드는 데에는 Subthreshold Swing문제가 있다. Subthreshold Swing은 Id를 10배 높이기 위한 최소한의 Gate전압을 말한다. 쉽게 말해 이 Subthreshold Swing이 작아야 Id의 기울기를 가파르게 만들 수 있다. 하지만, 이러한 Subthreshold Swing은 최소 60mv/decade로 거의 고정되어 있다. 즉, Id를 10배 늘리기 위해서는 최소 Gate 전압을 60mv 이상을 인가해 주어야 한다는 뜻이다. 

 

 

ON/OFF Current

 

 두번째는 ON/OFF Current 이다. 만약 한 달 동안 집에 있는 가전제품들과 형광등 등을 사용하지 않았다고 하자. 그런데 다음 달 전기요금 고지서에 10만원이라는 돈이 찍혔다. 전기를 쓰지도 않았는데 전기 요금이 나오면 소비자 입장에서는 불만이 있을 수 밖에 없다. 이를 위해 OFF Current 즉, TR이 꺼져 있을 때 전류가 흐르는 것을 최소화 해야한다. 또한, TR을 켰을 때의 전류도 최대가 되는 것이 좋다. 스위치를 켜서 형광등을 켰는데, 불이 들어왔다가 안 들어왔다가 하면 형광등이 제 기능을 할 수 없다. 

 

Id를 최대로 하기 위해서는 Id Equation을 살펴볼 필요가 있다.

Id = CoxunW/2mL(Vgs - Vth)^2이다.

 

현대 반도체 기업들은 Tr을 계속 작게 만들고 싶어한다. 그래야 조그마한 칩 하나에 수 많은 Data들을 저장할 수 있고 수 많은 연산들을 처리할 수 있기 때문이다. 또한, Tr의 크기가 작아질 수록 그만큼 On시키기 위한 전력도 줄어들게 된다. 하지만 이렇게 Tr의 작아지는 데에는 문제가 있다. 위의 식에서 L은 Gate Channel Length를 의미한다. 이 L이 작아져야 Tr이 작아질 수 있다(식에서 보아도 분모에 있는 L이 작아져야 Id의 값이 커지게 된다). 하지만, L이 작아지면서 발생하는 문제점이 또 있다. 바로 기생 커패시턴스이다. 이는 gate전압의 분산을 일으킨다. 쉽게 말해, Tr이 작아지면서 한 공간에 존재하는 Tr의 수도 많아진다. 이로 인해, Tr들 사이의 간격도 매우 좁아지게 된다. 이때, 만약 1~10번 Tr이 있는 상태에서 2번 Tr에 Gate 전압을 5V를 인가 했다고 가정해 보자, 본래, 2번 Tr만 혼자 있었던 때에는 Gate에 가해진 5V가 Channel에 거의 그대로 전해지게 된다. 하지만, 10개로 늘어났기 때문에, 2번 Tr에 5V를 인가했을 때 인접해 있는 1번과 2번 혹은 그 주변의 다른 Tr에게 전압이 분산되게 된다. 따라서 2번 Tr의 문턱전압(ON 되기 위한 전압)이 4.5V(가정)였다면 Channel에 전해진 전압은 다른 Tr에 분산되어 3V밖에 전해지지 못하고, 그결과 Tr은 On되지 못한다. 그래서 5V보다는 높은 전압을 인가해 주어야 하게 되고 더 큰 전력이 소모되는 것이다.

 

 

 

Ideal MOSFET 조건

 

따라서 이상적인 MOSFET은 OFF 전류는 최소로, ON 전류는 최대로, Drain 전류 곡선은 가파를(Steep) 수록 좋은 MOSFET이라고 할 수 있다. 

 

 

 

문턱전압(Vth)?

 

 MOSFET은 문턱전압(Threshold Voltage) 이상의 전압을 Gate에 인가해 주어야 ON상태가 된다. Vth의 측정 방법은 크게 3가지가 있다. 

첫번째로 Linear Extrapolation방법이다. 이 방법은 Vg와 Id 그래프에서 그래프가 가파르게 상승하는 구간에서의 접선을 그어 보았을 때 Vg축과 만나는 점을 Vth로 생각하는 방법이다.

 

 두번째는 Constant Current 방법이다. 이는 미리 지정된 Id 값을 기준으로 Vth 값을 정하는 방법이다. Vg(x축)와 로그스케일의 Id(y축) 그래프에서 지정된 Id값에 대한 V값을 Vth로 한다.

 

 세번째는 gm Method이다. gm은 dId/dVg로 나타낼 수 있다. 즉, 이 값이 갑자기 최대가 되는 점(기울기가 최대가 되는 점, 상태가 On이 되었으니 그래프는 당연히 가파르게 상승할 것이다)을 Vth로 본다.