우리가 물을 사용하려면, ‘수도꼭지 레버를 열어’야 하죠. 여기서 수도꼭지는 필요할 때만 물을 이용할 수 있게 유량을 조절하는 역할을 하는데요. 반도체 소자 중에서도 수도꼭지와 같은 역할을 담당하는 트랜지스터가 있어요.
그 이름은 바로 MOSFET! Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor의 줄임말로, 전류의 흐름을 조절해 전자 신호를 증폭하거나 ON/OFF를 전환해주는 트랜지스터 유형인데요. 그 원리가 무엇인지 지금부터 자세히 설명해 드릴 테니 집중해 주세요!
▪ MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) : 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터. 전류의 흐름을 바꿔 전기 신호를 증폭하거나 스위칭하는 데 사용
MOSFET은 MOS 구조를 활용한 전계 효과 트랜지스터입니다. MOS 구조는 금속과 실리콘 기판 사이에 절연체가 접합된 적층 구조를, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)는 전기장을 활용해 전류 흐름을 제어하는 트랜지스터 유형을 의미해요. 즉, MOSFET은 MOS 구조 내 절연체의 분극 효과를 이용해 반도체의 전류 흐름을 제어하는 트랜지스터라고 할 수 있어요.
* 분극 효과 : 전기적으로 중성인 유전체(dielectric)에 전기장을 가했을 때 이 전기장의 방향에 따라 유전체 내의 전자와 핵 간에 위치 변위가 생기며 일정한 방향으로 정렬하는 현상
1) 소스(Source): 전기가 들어오는 입구 = 수도관에서 물이 들어오는 입구
2) 드레인(Drain): 전기가 나가는 출구 = 물이 빠져나가는 출구
3) 게이트(Gate): 전기의 흐름을 조절하는 제어 손잡이 = 수도꼭지 손잡이
4) 기판(Body): 이 모든 부품들이 설치되는 바닥면 = 수도 설비가 설치되는 바닥
앞서 MOSFET은 수도꼭지와 비슷한 역할을 한다고 말씀드렸는데요. 여러분의 이해를 돕기 위해 수도 시설에 비유해 동작 원리를 설명하자면, MOSFET을 이루고 있는 4개의 단자를 아래와 같이 대입할 수 있어요.
수도관에서 물이 나오게 하려면 수도꼭지 레버에 힘을 줘야 하는 것처럼, 드레인으로 전류를 이동시키기 위해서는 게이트에 전압을 가해야 하는데요. 중요한 건 소스와 드레인 사이 전류가 흐르는 길 즉, 채널(Channel)이 형성될 수 있는 최소 전압 이상을 가해야 한다는 것! 이처럼 게이트에 인가되는 전압을 통해 소스와 드레인 사이로 흐르는 전류의 양을 조절하는 것이 기본적인 동작 원리입니다.
MOSFET은 여러 방식으로 구분되지만 일반적으로 채널이 N형 실리콘 기판 위에 형성된 P-type MOSFET과 P형 기판에 형성된 N-type MOSFET으로 나뉠 수 있어요. P-type MOSFET은 정공을 이용해 전류를 옮기는 트랜지스터 유형으로, 주로 전원 제어용으로 사용됩니다. 반면 N-type의 경우 전자를 이용하며, 정공 대비 이동 속도가 빨라 전기 신호의 상태를 바꾸는 스위칭 동작 구현에 활용되는 것이 특징입니다.
* P-type MOSFET
채널이 N형 실리콘 기판 위에 형성 /정공을 이용해 전류 이동 / 주로 전원 제어용으로 활용
* N-type MOSFET
채널이 P형 실리콘 기판 위에 형성 / 전자를 이용해 전류 이동 / 주로 스위칭 동작 구현에 활용
MOSFET은 높은 전력 효율성과 빠른 속도로 동작할 수 있는 장점 덕분에 CPU, 메모리 소자 등 다양한 전자 회로에 널리 사용됩니다. ‘더 작고 빽빽하게’, 많은 기능을 더 작은 칩 안에 넣는 집적도 경쟁이 한창이지만 반도체 소자가 한계 수준 이하로 작아지면서 기존에 발생하지 않던 다양한 문제들이 발견되고 있어요.
가장 큰 문제점으로 꼽히는 것은 채널, 즉 전류가 흐르는 길의 폭이 좁아지면서 누설 전류와 발열이 증가할 수 있다는 것! 정상적인 MOSFET에서는 게이트에 전압을 걸었을 때만 전자가 드레인으로 이동을 할 수 있죠.
하지만 미세화가 진행됨에 따라 소스와 드레인 간 거리가 너무 가까워지면서 게이트에 전압을 걸지 않아도 드레인까지 건너가는 전자가 간혹 나타납니다. 이를 누설 전류가 발생했다고 하는데요. 이 경우 필요하지 않을 때도 전류가 계속해서 흘러 반도체 소자가 제 기능을 하지 못하게 됩니다. 또한 누설 전류가 늘어날수록 회로의 손상을 야기하는 발열 현상이 심화될 수 있기 때문에 큰 문제가 될 수 있어요.
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“반도체가 점점 더 작아지면, MOSFET은 더 이상 쓰지 못하는 걸까?” 라고 묻는다면 답은 NO. 최근 반도체 기업들은 게이트와 채널 간 접촉면을 늘려 전류를 세밀하게 제어할 수 있는 입체 구조의 소자를 개발! 평면 구조였던 MOSFET을 3D 구조로 발전시키며 해답을 찾아가고 있어요.
그 대표적인 예로 FinFET과 GAA를 들 수 있는데요. FinFET은 지느러미(Fin) 모양의 3차원 구조를 적용, 게이트가 채널의 3면을 감싸 채널에 대한 통제력을 높인 트랜지스터 유형입니다. 그리고 FinFET의 뒤를 잇는 차세대 반도체 소자가 GAA(Gate-All-Around) FET인데요. 이름 그대로 게이트가 채널을 빙 둘러싸고 있는 구조로, 채널 4면을 완전히 감싸 전류를 더 효과적으로 제어할 수 있는 트랜지스터 유형입니다. 흐르는 물을 제대로 관리하기 위해 수로의 모든 면을 통제해야 하는 것처럼, 채널을 빈틈없이 꽁꽁 감싸 통제력을 높이는 것이죠.
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이번 시간에는 전압 제어 소자로써 스위치, 증폭기 등으로 활용되는 MOSFET의 동작 원리와 발전 방향에 대해 알아보았는데요! 혹시 궁금한 반도체 용어가 있다면 언제든지 댓글로 남겨주세요. ‘반도체의 모든 것’이 여러분의 궁금증을 속 시원히 풀어주는 건 기본, 어려운 반도체 용어가 쉽게 느껴지는 그날이 오도록 기초 지식을 재미있게 알려 드릴게요.
▪ 증가형 MOSFET (Enhancement-type MOSFET) : 소스와 드레인 사이 채널이 형성되어 있지 않아 전류가 흐르지 못하다 게이트를 열어주면 전류가 흐르는 형태로 동작
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▪ 공핍형 MOSFET (Depletion-type MOSFET) : 소스와 드레인 사이 채널이 이미 형성되어 있어 전류가 흐르다가 게이트를 닫아주면 전류 차단되는 형태로 동작
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