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MOSFET의 수평방향으로 작용하는 동작을 좀 더 깊숙이 들여다 보면 FET(Field Effect Transistor)은 수평축으로 전자를 이동시키는 역할을 합니다. 이때 이동되는 전자들을 막거나 혹은 통과시키는 수도꼭지 역할은 MOS가 하게 되는데요. 결국 MOS의 영향과 FET의 동작을 합하여 MOSFET형 트랜지스터가 움직이게 되는 것이지요. 최근 만들어지고 있는 Green 반도체도 이러한 동작원리를 발전시켜 소비전력을 줄이고 속도와 용량은 크게 향상시키고 있습니다. 그럼 지금부터 FET에 관해 살펴보도록 할 텐데요. MOSFET 수평축으로 본 전자들의 여행을 함께 떠나보도록 하겠습니다.
전자의 여행 계획
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▲ FET(Field Effect Transistor)의 기본구조(Source단자, Substrate기판, Drain단자)
누구든 여행을 하려면 맨 먼저 계획부터 짜야 합니다. 반도체에서도 마찬가지 입니다. FET은 캐리어(Carrier : 전자 혹은 정공)들의 여행계획을 마련합니다. 이것은 Source 단자로부터 나와 기판을 거쳐 Drain단자까지 도달하는 스케줄입니다. 여행이란 쉽고 편안한 것만은 아니어서, 전자들이 수평축으로 여행하는 도중에는 죽음의 사막지대(공핍영역)를 2군데나 지나야 하고, 깊은 골짜기(기판 : Substrate)도 건너야 합니다.
여행준비, 전자들도 여비가 필요하다
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▲ MOSFET에 인가하는 전압 @ NPN형 FET
여행하는 Carrier(전자 혹은 정공)개체들의 수는 전자로 약 1x10^20 ~ 1x10^22개/cm^3 입니다. 대규모 부대의 이동이지요. 미지의 세계에서는 전자가 최소한 1x10^20개/cm^3 정도의 숫자는 되어야 전류로써의 의미를 갖게 됩니다. 1 cubic cm속에 들어가는 이 숫자는 지구상 전체 인구 70억명의 100억배 정도에 해당합니다. 그러나 감지기술이 점점 발달되면서 최근에는 이보다 적은 1x10^20개에서 1x10^18개의 Carrier 개수로도 트랜지스터를 ON상태로 탐지 할 수 있게 되었습니다.
Source 단자와 Drain 단자 사이에는 기판(Substrate)이라는 골짜기가 있는데요. 이 골짜기를 건너기 위해서는 Source 단자와 Drain 단자를 연결하는 다리가 놓여야 합니다. 그래서 Gate 단자에 플러스 전압(NPN인 경우)을 걸어 MOS로 하여금 다리(n-Channel)를 놓도록 합니다. 이 다리는 이어지면 ON이 되고, 다리가 없어지면 OFF가 되는 ON/OFF 수문 역할을 하며, Source 쪽에서부터 다리를 놓기 시작하여 Drain 전압에 이끌려 Drain 단자까지 이어집니다.
이처럼 Source 단자에는 전압을 걸지 않고[0V], Drain 단자에는 일정 수준의 플러스 전압을 걸어주는 것은 전자들에게 여행할 여비를 주는 것과 같은 역할을 합니다. 전자들은 전압 차이가 발생해야 이동하기 때문이지요. 두 단자 사이에 전압차가 많이 날수록 전자들의 여행 경비는 더욱 늘어나게 될 것입니다. 반면 전압이 높으면 높을수록 전자들은 동일한 시간에 더욱 많이 이동하게 됩니다.
최근에는 트랜지스터의 동작상에 영향이 없는 한도 내에서 Drain에 인가하는 전압(+Vcc)을 점차적으로 줄이고 있습니다. 이러한 추세로 본다면 앞으로 10년 이내에 나오는 반도체는 지금 소모하는 전력의 반정도로 줄어들 것으로 예상됩니다.
Source가 출발지점이라면 Drain은 도착지점이다
▲ Source에서 출발하여 Drain까지 이동하는 전자, 출처: 유투브
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N형이든 P형이든 모든 단자(Termination)는 다수이동자(Major Carrier)와 소수이동자(Minor Carrier)를 동시에 보유합니다. 국회에서도 다수당과 소수당이 있는 것과 마찬가지입니다. 반도체 내에서 다수당은 소수당이 움직이는 방향과는 항상 정반대입니다. NPN형 MOSFET이라고 할 때, 처음 출발은 다수이동자인 전자들이 움직이도록 전압들을 세팅합니다.
4가-5가 결합으로 생성된 잉여전자는 외부에서 약간의 에너지(실리콘 최외각 전자를 떼어내는 에너지의 25분의 1배)를 주어도 공유결합 된 분자로부터 쉽게 탈출하게 됩니다. 이를 통해 Source에 있던 다수당인 전자들은 Drain의 플러스전압에 끌려서 앞에 놓여 있는 전자구름다리를 건너 Drain으로 들어가게 되는데요. 전자들이 기판으로 들어가서 기판에 있는 소수당인 전자들과 숫자를 합하면 매우 강력한 세력을 형성하게 됩니다. 최종 종착지는 Drain이 되는데요. Drain에는 이미 전자가 다수당으로 득세하고 있습니다. 정공이 다수당인 PNP타입인 경우도 마찬가지입니다. 무조건 이동자들은 전자든 정공이든 모두 Source에서 출발하여 Drain에 도착하도록 약속되어 있습니다. 따라서 Source와 Drain 사이에 흐르는 전류방향은 NPN Type(전자가 이동)인 경우는 PNP Type(정공이 이동)과는 서로 반대가 됩니다.
천방지축 전자이동, 랜덤확산
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▲ 전자의 랜덤확산 이동
전자의 이동방식과 정공의 이동방식은 약간 다릅니다. 전자는 어떤 방향이든 자유롭게 직진으로 이동하다가 다른 원자의 원자핵이나 전자들과 부딪치면 그 즉시 직진하던 방향의 반대방향으로 꺾입니다(이때 입사각과 반사각은 동일합니다). 전체적으로는 농도방향이나 전압방향이 설정되면 전자는 점차 확산되는 형태로 목표를 향하여 나아갑니다. 그러한 직선운동을 모두 합하면 결국 일정한 방향성을 갖게 되는데, 이것을 랜덤(Random)확산전류 혹은 Drift전류라고 합니다.
정공이동, 징검다리 건너기
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▲ 정공(Hole)의 징검다리 이동 방식
정공이란 어떤 실체가 있는 것이 아니라 전자가 있어야 할 공간에 전자가 없는 것을 말합니다. 이러한 빈 공간(정공)을 옆에 있는 전자(1차)가 채우게 되면, 앞서 이동한 전자(1차)가 이동하기 전에 있었던 원래 위치의 공간이 빈 공간으로 변하면서 정공이 됩니다. 그렇게 되면 옆에 있던 다른 전자(2차)가 또다시 새로 발생된 정공을 채우면서 연속적으로 빈 공간인 정공이 발생되게 됩니다.
결국 정공은 전자 이동과는 반대로 움직이며, 징검다리를 건너는 모양새가 되는데요. 이러한 현상을 ‘정공의 이동’이라고 합니다. 정공은 이동할 자리를 내다보고 이동하므로, 이동 시 전자이동처럼 어떤 두 개가 서로 충돌하면서 이동하는 일은 없습니다. 따라서 근본적으로는 정공이동도 전자이동의 결과라고 볼 수 있습니다.
산화막, FET와 FET의 격리
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▲ MOSFET 격리용 산화막
FET은 하나의 트랜지스터입니다. 예를 들어 64Gb DRAM은 한 개의 칩에 트랜지스터 640억개가 개별적으로 정상동작을 해야 합니다. 집적회로에서도 모든 FET의 독립을 보장해주어야 하므로 수많은 소자인 트랜지스터들 사이를 유효하게 격리시키는 것이 매우 중요합니다. 따라서 전체 칩의 동작을 의도하는 대로 관리하려면, FET과 FET 사이에는 전자나 정공의 이동이 전혀 없도록 철저하게 절연 시키고 사전에 계획된 도체 라인을 통해서만 전자나 전공들이 움직여야 합니다. 소자간의 무분별한 캐리어의 이동을 막기 위해서는 강력한 절연막이 필요한데, 이때 거의 완벽하게 절연이 가능한 산화막(SiO2)을 사용합니다. 절연성을 높이기 위하여 막 두께도 게이트와 기판 사이에 형성되어 있는 터널산화막(NAND Flash)이나 게이트 산화막(DRAM)에 비하여 20배 이상 두껍게 합니다.
지금까지 MOSFET형 트랜지스터가 수직과 수평으로 작용하여, 전자들이 흩어지고 모이는과정을 살펴보았습니다. MOSFET을 이해하려면 세 가지를 챙겨야 합니다. 첫 번째로는 제품동작은 MOSFET의 각 4개 단자 간에 어떤 상호 영향을 끼치고 동작하는 지 알아야합니다. 두 번째는 제조공정인데요. MOSFET 형체를 어떻게 만들고 내부 화학적 조성비를 무엇으로 바꾸었는지 비교하여야 합니다. 마지막으로 내부 구조가 어떤 형태로 이루어졌는지 파악해야합니다. 이 3가지는 서로 맞물려서 돌아가기 때문에 상호간의 연관된 관계를 살펴보아야 MOSFET을 제대로 이해 할 수 있습니다.
※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.
