MOSFET 속 물리 – 소자부터 n+의 터널 효과까지

반도체 분야를 공부하기 위해서는 반드시 알아야 하는 개념인 MOSFET! 이러한 MOSFET에는 전자의 이동에 대한 전자 물리와 양자역학, 재료 물성과 고체물리이론까지 정말 많은 물리 지식들이 사용되고 있습니다. 오늘은 이러한 MOSFET 속 물리들에 대해 알아보고자 합니다. 그럼 시작해 볼까요?

IT기기의 필수 구성 요소! MOSFET 구조와 구동원리

먼저 MOSFET의 구조를 살펴보겠습니다. MOSFET은 도체(Source, Drain, Gate)와 부도체(Gate-Insulator), 그리고 반도체(P-Substrate)의 접합으로 이루어져 있습니다. 이 세 가지의 접합을 통해서 우리는 전류를 흐르게, 혹은 흐르지 않게 만들 수 있는데요.

이를 이용하면 전기 신호를 조절하는 스위치 역할을 할 수 있기 때문에, 짧은 시간에 신호가 계속 바뀌는 각종 IT기기에서는 MOSFET을 사용하지 않은 회로를 찾기가 더 어렵다고 할 정도로 많이 사용되고 있죠. 예를 들어 CPU나 GPU, DRAM, FLASH MEMORY를 설명할 때 등장하는 nm 단위 숫자는 MOSFET을 구성하는 회로의 선폭을 나타내는 것입니다. 그럼 MOSFET이 어떻게 스위치 역할로 구동하는 지 알아볼까요?

보다 쉬운 이해를 돕기 위해 MOSFET의 구동을 그림으로 표현해보았습니다. MOSFET은 기본적으로 Source와 Drain 사이에 전류가 흐를 지 말 지를 결정하는 소자로 스위치 역할을 수행합니다. 기본 상태에는 반도체가 도체 Source와 Drain의 사이를 막아 전자가 흐르지 않다가, Gate에 전압을 걸었을 때 반도체 부분의 반응에 의해 둘이 연결되어야 합니다. 즉, 반도체 부분은 특정 상황에서 전류가 흐르는 물질이어야 한다는 필요성을 가지고 있는데요. 그렇다면 대체 반도체, 부도체, 도체는 무엇일까요?

반도체, 도체, 부도체를 나누는 기준! Band Gap

원자는 위의 그림과 같이 원자핵과 핵 주위를 도는 전자로 이루어져 있고, 전자는 특정 에너지 레벨(궤도)에서 높은 확률로 존재하며 돌고 있습니다. 그런데 원자들끼리 결합하게 되면 전자들의 에너지 레벨이 겹치는 경우가 생기게 됩니다. 이렇게 되면 파울리 배타원리를 위배하여 전자들끼리 서로 영향을 주면서 에너지 레벨이 쪼개지게 되며, 물질을 구성하면서 원자 결합이 반복되면 에너지 레벨이 쌓이면서 마치 띠와 같은 형태를 가지게 됩니다.

여기서 전자가 존재할 확률이 높은 영역과 존재할 가능성이 낮은 영역이 생기게 되는데, 이것을 각각 Band와 Band Gap이라고 부릅니다.

전자가 존재할 확률이 높은 Band는 크게 전도대와 가전자대로 나눌 수 있는데, 가전자대는 핵 주위를 돌며 핵의 영향을 받는 에너지 레벨의 모임을 의미합니다. 또한 핵에서 충분히 떨어져 있어 핵의 영향 없이 자유롭게 움직이는 에너지 레벨의 모임을 전도대라고 부릅니다. 예를 들어 지구 중력에 의해 주위를 돌고 있는 달의 궤도를 가전자대, 지구 중력에 크게 상관 없이 지나가는 혜성의 궤도를 전도대라고 생각하시면 이해 하시기 쉽습니다.

이렇게 전도대와 가전자대 둘 사이에는 전자가 존재할 가능성이 낮은 Band Gap이 있고 이 크기에 따라 우리는 도체, 반도체, 부도체를 구별 할 수 있습니다.

부도체는 Band Gap이 커서 가전자대 전자가 에너지를 받아도 전도대로 뛰어 올라가기 어렵고, 도체는 Band Gap이 매우 작아 가전자대와 전도대 구별이 거의 안 되는 물질입니다. 또한 반도체는 부도체보다는 작은 Band Gap이 존재하는 물질로, 가전자대 전자가 에너지를 받으면 전도대로 뛰어 올라갈 수 있습니다. 때문에 우리가 반도체에 Band Gap이상의 에너지를 주면 전자가 전도대에 올라갈 수 있다는 것입니다.

반도체는 성질에 따라 N형, P형 반도체로 나눌 수 있는데, 전자가 많아 전자를 전도대 근처에서 볼 확률이 높은 반도체를 N형, 정공이 많아 전자를 가전자대에서 만날 확률이 높은 반도체를 P형이라고 부릅니다. 아래의 그림과 같이 Fermi Level의 위치를 이용하면 어떤 반도체인지 구별 할 수 있습니다.

마지막으로 전도대의 전자는 핵의 영향을 받지 않기 때문에 자유롭게 움직일 수 있는데요. 이 흐름을 우리는 전류라고 하며, 흔히 “전기가 통한다”라고 말하는 것이 이 현상을 뜻합니다. 도체를 금속이라고 부르기도 하는데, 철이나 구리와 같은 금속이 전기가 통하는 이유도 바로 이 때문입니다.

반도체와 도체의 쇼트키 장벽을 해결하는 n+

앞서 밝혔듯 MOSFET은 반도체, 도체, 부도체가 서로 접합한 구조를 가지고 있습니다. 문제는 세 물질, 특히 반도체와 도체의 접합 시 Band Gap이 서로 달라 전자가 이동하는데 방해가 생긴다는 것입니다.

물질이 접합하게 되면, Fermi level을 일치시키려 하는 성질이 있는데 이 때문에 도체와 반도체의 Fermi level이 같아지면서 도체 접합 부분의 반도체 전도대가 올라가 버립니다. 참고로 도체는 전도대와 가전자대 차이가 모호하기 때문에 밴드의 중간과 반도체의 Fermi level이 같아진다고 볼 수 있습니다.

그렇게 되면 위 그림과 같이 전자가 도체에서 반도체로 이동할 때 마치 벽처럼 에너지 차이가 존재하기 때문에 전자 이동이 힘들어집니다. 이렇게 전자의 이동을 막는 장벽을 쇼트키 장벽이라고 하는데요. 이를 해결하기 위해 반도체인 P-Substrate에 추가되는 것이 n+입니다.

n+의 경우 전자를 인공적으로 넣어 전자가 많이 존재하는 물질이라고 생각하시면 되는데요. 이를 도체와 만나는 반도체 쪽에 추가하게 되면 두 가지 효과를 가져올 수 있습니다.

먼저 전체적으로 전자의 양이 늘어난 만큼 전자가 벽을 넘을 확률이 올라갑니다. 그리고 더욱 중요한 두 번째 역할이 바로 쇼트키 장벽을 좁아지게 하는 것입니다. 그렇게 되면 전자의 크기와 비슷해지고 파동성을 가지고 있는 전자는 양자역학에 따라 그 벽을 넘지 않고 그대로 통과할 수 있게 됩니다. 터널 효과라고 부르는 이 방법으로 도체 내 전자가 반도체로 넘어갈 수 있게 되는 것입니다.