MOS는 PMOS(양극 채널 Metal-Oxide-Semiconductor) 와 NMOS(음극 채널 Metal-Oxide-Semiconductor) 두 종류로 나뉘며 기본 동작 원리는 반도체를 이해하는 데 중요하므로 이번 포스팅에서 자세하게 알아보도록 하겠습니다. 핵심 구성 요소는 Metal(금속, 게이트), Oxide(산화물, 절연층), Semiconductor(반도체 기판) 3개 층입니다. 각 층은 특정 역할을 담당하며 전체 소자의 동작을 결정합니다.
첫 번째 층인 Metal은 전류를 전달하는데 사용되는 도체로서의 역할을 합니다. 두 번째 층인 산화물은 일반적으로 이산화규소(SiO2)로 이루어져 있으며 전류의 흐름을 제어하는 역할을 합니다. 세 번째 층인 반도체 기판은 전하를 전달하는데 사용되는 물질로서 주로 실리콘(Si)이 사용됩니다. Metal(게이트)에 전압을 인가하면, 산화물 아래의 반도체 영역에 전하가 축적됩니다. 이때, 반도체 영역의 전하 농도는 게이트 전압의 크기와 부호에 따라 달라집니다.
평형상태
게이트 전압이 인가되지 않았을 때, 즉 Vg=0V일 때, 반도체 기판 영역은 도핑된 형태, P형 반도체 기판에서는 정공 상태로 N형 반도체 기판에서는 전자 상태로 유지 됩니다. 이때, 금속과 반도체의 페르미 레벨이 같아 반도체의 에너지 밴드가 평탄한 상태가 됩니다. 이를 평형 상태라고 합니다.
축적상태
게이트에 음의 전압을 인가하여 산화물-P형 반도체 기판 계면에서 다수 캐리어인 정공이 모여 층을 형성하데 이를 축적상태라고 합니다. 축적 상태에서는 반도체의 에너지 밴드가 아래로 휘어지고, 단위 면적당 커패시턴스는 산화물의 커패시턴스와 같습니다.
공핍상태
게이트에 양의 전압을 인가하여 산화물-P형 반도체 기판 계면에 정공을 밀어내어 공핍 층을 형성하는 상태를 말합니다. 이 상태에서는 반도체의 에너지 밴드가 위로 휘어지고, 단위 면적당 커패시턴스는 산화물의 커패시턴스와 공핍 층의 커패시턴스의 직렬 연결과 같습니다. 또한 반도체 영역의 저항이 증가하고, 전하가 거의 흐르지 않습니다.
반전상태
게이트에 충분히 큰 양의 전압을 인가하여 산화물-P형 반도체 기판 계면에서 전자가 모여 반전 층을 형성하는 상태를 말합니다. 이 반전 상태에서는 반도체의 에너지 밴드가 매우 크게 위로 휘어지고, 단위 면적당 커패시턴스는 산화물의 커패시턴스와 같습니다. 또한 반도체 영역의 저항이 감소하고, 전하가 흐를 수 있습니다. N형 반도체 기판을 사용한 경우는 반대로 동작합니다.
반도체 MOS의 기본 동작 원리를 이해함으로써, 반도체의 효율적인 개발 및 디자인의 기반을 마련할 수 있고 끊임없는 발전을 거듭하여 반도체 및 전자기기 산업 발전에 큰 기여를 하고 있으며, 계속해서 연구와 혁신이 이루어지고 있습니다.