#13. MOSFET의 구조와 회로 모델

MOSFET은 저항(Resistor), 커패시터(Capacitor), 인덕터(Inductor) 그리고 다이오드(Diode)를 제외하면 회로 설계에서 가장 기본이 되는 소자입니다. 반도체에서도 다이오드의 PN 접합 다음으로 MOSFET의 구조를 배우게 됩니다. 그만큼 중요한 소자인거죠. 그러면, MOSFET의 물리적인 구조를 파악해보고, 회로로 어떻게 모델링될 수 있는지를 한 번 설명해 보겠습니다.

 

MOSFET은 Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor의 약자로 이름 그대로 금속(Metal)과 절연체(Oxide), 반도체(Silicon)로 구성되어 있고, 이로 인해 전계효과를 가지는 트랜지스터를 뜻합니다. 그림 1은 MOSFET의 기본 구조입니다.

 

[그림 1. MOSFET의 물리적인 구조]

 

그림 1의 실리콘(Silicon)과 같이 불순물이 없는 순수 실리콘일 때를 진성 반도체(Intrinsic Semiconductor)라고 하며, 이동할 수 있는 전자가 없는 부도체의 성질을 가집니다. 여기서 실리콘 기판을 Substrate 또는 Bulk라고 부릅니다. 그림 2와 같이  Substrate를  N-type의 불순물로 dopping 하면 N-substrate가 되고, Drain과 Source 부위에 P-type을 dopping 함으로써 PMOS가 됩니다. 반대로 Substrate에 P-type의 불순물을 도핑하면 P-substrate가 되고, Drain과 Source에 N-type을 dopping 함으로써 NMOS가 됩니다. N-type 불순물은 Arsenic, Phosphorus와 같은 5족 원소로 4족 원소인 실리콘을 대체하게 되면 전자 하나를 기부하게 되므로 기부자라는 의미의 Donor라고도 합니다. 그리고 P-type 불순물은 Boron과 같은 3족 원소로 실리콘 대체 시 전자가 하나 부족해 빈자리가 생깁니다. 이 빈자리를 정공(hole)이라고 하며, 전자를 오히려 받아드려야 하므로 Acceptor라고 부르게 됩니다. 

 

[그림 2. NMOS(좌), PMOS(우)의 물리적인 구조]

 

이러한 MOSFET의 Gate와 N-type 또는 P-type의 dopping 부분에 전극을 붙여 Gate, Drain, Source라고 부르고, 그림 3과 같은 MOSFET 심볼로 표현 합니다.

 

[그림 3. NMOS(상), PMOS(하) 심볼]

 

이상적인 MOSFET의 경우 그림 2와 같은 구조로 표현할 수 있었지만 실제로는 여러가지 기생 캐패시턴스와 저항 성분 그리고 다이오드 성분이 생성됩니다. 이를 포함하여 그림 4와 같이 표현할 수 있습니다. NMOS, PMOS가 동일하므로 NMOS에 대해서만 표시해 봅니다. 절연체(Oixde)와 Drain, Source의 dopping된 부분이 일부 겹침으로 인해 기생 캐패시턴스 Cgs, Cgd 성분이 생성됩니다. 그리고 N-type의 Drain과 Source가 P-type의 Body와 접합함으로써 공핍층(Depletion)이 형성되고, 이 공핍층은 절연체의 역할을 하기 때문에 캐패시턴스 성분을 만들어 냅니다. 물론 PN 접합으로 인한 기생 다이오드 성분도 생성이 되지요! 그래서 Cds, Csb, Cdb, 그리고 Source와 Body 사이의 기생다이오드, Drain과 Body 사이의 기생 다이오드 성분이 보이게 됩니다.

 

[그림 4. NMOS의 기생 캐패시턴스, 기생 다이오드 성분을 포함하는 심볼]

 

다이오드가 도통 되기 위해 0.7V의 문턱 전압이 필요하듯 MOSFET의 Drain과 Source 사이에 전류가 흐르기 위해서도 역시 문턱전압이 필요합니다. 이를 임계전압(Threshold)이라 하고, Vth로 표현 합니다. 문턱전압 Vth는 MOSFET을 제작하는 공정에서 가장 중요하게 생각하는 파라메터중 하나로 MOSFET의 Body(Substrate)에 큰 영향을 받습니다. 따라서, Body에 의한 Vth의 변동성을 줄이기 위해 Source와 단락하여 사용하는 것이 일반적입니다. 그러면 최종적으로 그림 5와 같은 형태가 됩니다.

 

[그림 4. NMOS의 Source와 Body 단락 시 심볼 표현]

 

Source와 Body를 단락함으로써 이 사이의 기생 다이오드 성분과 기생 캐패시터 Csb 성분이 사라집니다. 그리고 Cds와 Cdb 성분이 더해지므로 그림 4의 우측 심볼과 같이 표현됩니다. 이러한 기생 캐패시턴스 성분은 저주파 동작 시 고려 대상이 아니지만 고주파 동작 시에 굉장히 중요한 영향을 미칩니다. Cgs와 Cgd는 MOSFET의 입력에서 LPF(Low Pass Filter) 역할을 하고, Cgd와 Cds, Cdb는 MOSFET의 출력에서 LPF 역할을 하게 됩니다.(Cgd는 입력과 출력 모두에 영향을 미칩니다) 마지막으로 기생 다이오드 성분은 어감이 좋지 않아서 안좋게 작용할 것 같지만 전원부에서 굉장히 중요한 역할을 담당하기도 합니다. 이에 대한 자세한 내용이 궁금하시면 #6-1. MOSFET에 붙어있는 다이오드는 뭘까? :: 회로 설계 : 기초부터 실무까지! (tistory.com)를 참고해 주세요. 여기까지 MOSFET의 물리적인 구조와 기생 성분에 대해 정리하였고, 어떻게 회로로 모델링 되는지에 대해 알아보았습니다.