MOSFET은 Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor의 줄임말로 ‘금속 Metal, SiO2와 같은 산화물 Oxide, 그리고 반도체로 이루어져 있습니다.

아래 그림의 Source, Gate, Drain 부분은 금속으로 이루어진 전극 부분입니다.

Source에서부터 전자와 양공의 흐름이 시작되어 중간에 있는 Gate가 전기장을 이용하여 흐름을 제어하고, 마지막으로 Drain에서 전자와 양공이 빠져나갑니다. Gate 전극의 아래 산화물에서는 반도체와 Gate 사이의 절연을 담당하고 그 절연체 밑의 Channel 부분에는 전자나 양공이 쌓이거나 흐릅니다.

이 Channel 부분이 바로 MOSFET동작 원리의 핵심인데요! 이곳에 모이는 것이 전하이냐, 양공이냐에 따라서 n-channel MOSFET과 p-channel MOSFET으로 나눌 수 있습니다. 오늘은 그중에서 전자가 모이는 n-channel MOSFET을 기준으로 설명을 해보도록 하겠습니다.

n-channel MOSFET, 줄여서 nmos는 p형 반도체 기반 substrate 위에 n형 반도체가 올라와 있는 형태로 구성되어 있습니다. N형 반도체로 이루어진 Source와 Drain 부분에서는 전자가 더 많고 전류가 흐르기 위해서는 이 전자들이 이동해야 합니다. Gate 부분에 (-)전압을 걸어주면 Gate 쪽으로 p형 반도체의 양공이 모여 부분적으로 (+)전하를 띄게 됩니다. 이 (+)전하로 인해 Source에서 Drain 영역으로 전자가 흐를 수 없게 됩니다. 이 상태를 바로 Accumulation이라고 합니다.

반대로, Gate에 일정량 이상의 (+)전압을 인가하면, 산화물 근처로 p형 반도체 내의 전자들이 쌓여 부분적으로 (-)전하를 띄는 채널 영역이 생기고 Source에서 Drain으로 전자가 이동할 수 있는 Inversion 상태가 됩니다.

Inversion 상태에서 Source와 Drain의 전압 차가 0보다 커질 때부터 양극을 흐르는 전류가 점점 증가하다가 어느 순간 포화되어 더 이상 증가하지 않습니다. 이것을 모두 정리하면, MOSFET에서는 수평 흐름의 전류를 제어하기 위해서 수직 방향의 전기장을 사용한다는 것을 알 수 있겠죠!

nmos 가 (+)전압이 Gate에 걸렸을 때 전류가 흐른다면, pmos는 이와 반대로 (-)전압을 걸었을 때 전류가 흐르는 스위치의 역할을 합니다. 이 정반대로 동작하는 두 개의 소자를 이용하여 CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor를 만들 수 있고, 이 CMOS를 이용하여 디지털 회로를 구성합니다. 0을 (-)전압, 1을 (+)전압이라고 생각해봅시다. 가장 간단하게 nmos와 pmos를 1개씩 직렬로 연결하면 입력이 0일 때 pmos는 연결, nmos는 연결이 끊어지면서 1이 출력되고 반대로 입력이 1이 들어왔을 때는 0이 출력되는 inverter를 만들 수 있답니다.

이번 지식더하기에서 설명한 MOSFET의 작동 원리는, 정말 이상적인 상황을 가정하고 있습니다.
하지만, 각 반도체의 도핑 농도나 인가전압, 크기 등 다양한 조건에 의해서 현실세계의 MOSFET은 작동을 못하기도 합니다. 대표적으로 아주 작은 MOSFET에서는 Source와 Drain 영역이 겹쳐, Gate 전압이 0이더라도 전류가 흐르는 Punch Through 문제가 발생하기도 합니다.

포스테키안 독자 여러분들이 현실 세계의 MOSFET의 작동 원리에 대해 이해하고 더 찾아보기를 바랍니다.