반도체(14) MOS 커패시터, MOS Capacitor

커패시터의 C-V 특성부터 알아보도록 하자,

 

 

C-V 측정은 DC 바이어스 전압 Vg와 정현파 소신호(Hz~MHz)를 MOS 커패시터에 인가하여 AC 전류계로 용량성 전류를 측정한다.

 

이 때 커패시턴스는 다음과 같이 구할 수 있다.

회로이론에서 많이 봤을 것같다.

 

 

 

 

++우리는 커패시터를 배울 때 주파수 특성도 같이 배운다.

 

 

Vg에 따라 다양한 모습을 보일거 같은 느낌이다.

실제로 그렇다

 

 

 

MOS 이론에서의 커패시터는 항상 소신호 커패시턴스를 의미하는데

 

 

**이러한 상태를 Quasi-static C-V 라고 한다.

 

++반전 전하가 AC 신호에 마치 주파수가 무한히 낮은 것처럼(정적 상태) 반응하기 때문이다. 이러한 조건을 만들기 위해서는 별도의 N형 영역과 같은 전자 공급원이 존재해야 한다.

(밑에 그림 c를 보면 된다)

 

 

 

 

축적 영역, 공핍 영역, 반전 영역 보면 알듯이 게이트 전압에 따라 다양한 모습을 보인다.

 

++참고로 얘는 LF(Low Frequency) 상태이다.

 

 

 

 

축적 영역 : 게이트 전압 변화(AC)에 따라, 실리콘 표면의 축적 전하의 양이 변한다.

-> 단순히 Cox의 값을 갖는 커패시터.

 

공핍 영역 : 공핍 영역의 경우에 캐리어는 없고, 전하를 띠는 것은 노출된 도펀트이온이다. 게이트 전압 변화에 따라, 공핍층의 폭(Wdep)가 변하게 되고, 이에 따른 전하의 변화는 공핍층의 하단부에서 나타난다. 

-> Cox 와 Cdep 의 직렬 연결

 

++커패시터의 직렬은 저항의 병렬과 식이 같다.

 

 

반전 영역 : 게이트 전압 변화(AC)에 따라, 실리콘 표면의 반전 전하의 양이 변한다.

-> 단순히 Cox의 값을 갖는 커패시터.

 

 

그림으로 볼까??

 

a: 축적

b: 공핍

c: 반전 (LF)

d: 반전 (HF)

 

 

High Frequency일 때는 아직 설명 하지 않았지만 그림 보고 알아보자

 

 

 

고주파 C-V (HF C-V) : 전자 공급원이 존재하지 않는 경우, 반전전하는 고주파 (~MHz) AC 신호 변화에는 반응하지 못하여 DC 상태에서의 양에 머물게 된다. 대신, 충분히 많은 다수 캐리어가 공핍층 끝부분에서 반응하게 된다. 
 ->  Cmin 에서 일정하게 유지됨.

 

 

 

 

 

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NMOS와 PMOS에 대해서 알아보자

 

NMOS란 반전 영역에서 N이 모아지는

PMOS란 반전 영역에서 P가 모아지는

 

즉 반전 영역을 기준으로 전자, 정공 뭐가 모이느냐에 따른 이름이다.

 

NMOS : p-type substrate (inversion charge : N-type)
PMOS : n-type substrate (inversion charge : P-type) 

 

 

평탄 밴드 전압 : NMOS는 음의 Vfb 전압, PMOS는 양의 Vfb 전압
문턱 전압 : NMOS는 양의 문턱전압, PMOS는 음의 문턱전압
반전 조건 : NMOS는 Vg >Vt , PMOS는 Vg <Vt

MOSFET의 ON 조건이다. 꼭 알아두자

 

다시 말하자면

NMOS  Vfb : -   Vt: +

PMOS   Vfb: +   Vt: -

 

유도해보면 알겠지만 부호만 다르다.