*이번 주차 교육 내용과는 별개로 작성하고 싶은 내용을 작성했습니다.
트랜지스터(Transistor)는 작은 전압으로 전류를 on/off 스위칭하거나 전류를 증폭시키는 역할을 하는
반도체 소자로써 CPU, RAM(DRAM), NAND flash 등 우리가 자주 접하는 모든 장치의 모든 칩에 무수히 많이 들어있다.
트랜지스터를 만드는 방식은 여러가지가 있는데,
현재 반도체 산업에 쓰이는 트랜지스터는 모두 MOSFET 구조의 트랜지스터이다.
MOS는 Metal Oxide Semiconductor으로 이 방식의 트랜지스터의 구조가 금속-산화막층-반도체(실리콘) 순서로 구성되어있음을 나타내는 말이고 FET는 Field Effect Transistor으로 작동방식이 field effect, 즉 전압을 걸어서 온오프를 제어하는 작동방식임을 의미한다.
기본적인 MOSFET의 구조는 다음과 같다.
MOSFET은 전류를 발생시키는 원천이 전자냐 정공이냐에 따라 NMOS, PMOS로 나뉘는데, 위 그림은 NMOS에 해당한다.
$N+$는 전자가 더 많도록 N-type로 도핑된 실리콘의 부분이며 +는 도핑정도가 높음을 의미하지 양전하라는 의미가 아니다.
몸체의 P-type bulk는 베이스가 되는 웨이퍼에 정공이 더 많도록 P-type로 도핑된 실리콘이다.
평상시에는 양쪽 N+(각각 source, drain)이 반대 타입인 P-type bulk에 가로막혀있어 전류가 흐르지 않는다.
하지만 Gate쪽에 Body쪽 단자 대비 양의 전압을 걸어주면 희미하게나마 존재하던 P-type bulk 내부의 전자들이
Oxide층 아래쪽에 모이게 되고 그 부근은 N-type로 바뀌게 되며, 이 영역을 channel이라고 한다.
양쪽 N+ 부분을 가로막던 영역이 같은 타입의 N-type 으로 전환되었으므로 전류가 흐를 수 있게 되고
이 때 source대비 높은 drain쪽에 높은 전압이 걸리도록 전압을 걸어주면
전자들이 source-channel-drain 순서로 이동하며 전류가 흐른다.
즉, gate에 전압을 걸어주는지 여부에 따라 작동시키고자 하는 회로인 source-drain이 이어진
회로의 연결 여부가 결정(switch)된다는 것이며, 트랜지스터는 손으로 누르는 물리적인 스위치 대신
전기적으로 작동하는 스위치를 구현한 것이라 볼 수 있다.
게이트에 전압을 조금만 걸어준다고 바로 채널이 형성되어 전류가 흐르는 것이 아니다.
채널이 형성되기 위해서는 전자들이 oxide layer아래에 충분히 모일만큼 강한 최소 전압이 필요한데,
이 전압을 문턱전압(Threshold Voltage, $V_t$ 또는 $V_{th}$)라고 한다.
이상적으로는 문턱전압 이하의 전압을 걸 때는 source와 drain 사이에 전류가 전혀 흐르지 않아야 하지만,
여러가지 이유로 이 구간에서도 아주 미세하게 전류가 흐르며 이를 누설 전류(Leakage Current)라고 부른다.
Gate에 전압을 강하게 걸수록 채널이 두껍게 형성되는데,
전선이 넓어진 것과 비슷한 상황이므로 저항이 감소하고 더 많은 전류가 흐를 것이라 생각할 수 있다.
하지만 게이트에 전압을 거는 것의 역할은 source-drain간 전류가 흐를 수 있도록 전선을 연결해주는 역할에 불과하므로
게이트에 아무리 전압을 강하게 걸어도 source-drain간 전압차가 없으면 전류가 흐르지 않을 것이다.
비유하자면 끊어져있는 전선을 스위치를 아무리 강하게 눌러 전선이 연결되는 정도가 크다고 하더라도
건전지 자체를 연결안하면 전선에 전류가 흐를 여지가 전혀 없는 것과 같다.
따라서 전류를 흐르게 하려면 source-drain간에도 전압차이를 만들어줘야하고
이 전압차가 클수록 전류가 강하게 흐를 것이다.
요약하자면, 게이트에 전압을 강하게 걸수록 전류가 강하게 흐를 여지가 생기고
소스 드레인 간에 전압차이를 강하게 걸수록 실질적인 전류가 증가한다.
이것을 종합해서 그래프로 나타낸 것이 다음과 같다.
하나의 파란 곡선들은 게이트에 하나의 전압을 걸어 고정시켰을 때,
d-s간 전압차이($x$축)를 늘리면 전류($y$축)가 어떻게 증가하는지를 나타낸다.
파란곡선 위에 쓰여있는 $1V$, $2V$, ... , $7V$는 문턱전압보다 $1V$, $2V$, ... , $7V$ 높게 걸어줬음을 의미하며
딱 문턱전압만큼 걸어주어 $V_{GS} - V_{th} = 0V$인 경우에는 전류가 전혀 흐르지 않아 바닥을 기어가는 형태로 나타난다.
앞서 언급했듯이 게이트 전압을 높일수록(스위치를 강하게 누를수록) 전류가 더 많이 흘러 곡선이 위로 올라감을 확인할 수 있다.
하지만 하나의 파란 곡선에서(게이트 전압을 고정) 아무리 드레인소스 전압(이하 $V_{DS}$)를 올려도 전류가 상승하지 않는
포화구간이 발생함을 확인할 수 있는데, 이번 글에서 자세히 설명하지는 않지만 pinch off 때문에 발생하는 현상이다.
앞에서 게이트에 문턱전압 이하로 전압이 걸려있더라도 약간의 전류가 새는 누설전류에 대해 이야기 했었다.
이번에는 트랜지스터의 성능을 나타내는 지표 중 하나인 SS(Subthreshold Swing)에 대해 이야기하고자 한다.
SS는 쉽게 얘기하자면 얼마나 문턱전압 근처에서 전류가 급격하게 변하는지를 알려주는 지표인데,
I-V curve의 기울기의 역수가 SS이므로 SS가 작아야 작은 전압을 추가해도 전류가 크게 증가해서
on/off 차이가 명확하다는 의미이고 누설전류가 적고 트랜지스터 성능이 좋다는 얘기가 된다.
왜 역수를 이용하는지는 필자도 아직은 모르겠다.
위에서 봤던 I-V curve는 $x$축의 voltage가 게이트가 아닌 source-drain간 전위차를 나타냈었다.
하지만 $x$축을 게이트의 전압으로 놓고 전류가 어떻게 변하는지 살펴볼 수도 있을 것이다.
그것을 살펴보려면 다음과 같이 그래프의 $x$축을 고정해서 세로로 직선을 그어서 살펴봐야한다.
세로로 축을 그었을 때 각 파란 곡선과 만나는 지점(빨간 점)이 새로운 $x$축이 되고
$y$축은 위 그래프의 $y$축을 그대로 사용할 것이다.
하지만 이렇게만 놓고 보면 $x$축 간격이 일정하지 않고 점점 지수적으로 거리가 증가하기 때문에
그래프를 그리기에 적절하지 않다. 따라서 각 거리를 일정하게 보정하고
$y$축은 지수적 증가라 너무 크므로 로그스케일로 줄여 새로 그래프를 그리면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
이게 왜 이렇게 넘어오는지 처음 보면 잘 이해가 되지 않을 것이지만, 글로써 설명하는데 한계가 있으므로 일단은 넘어가자.
$y$축이 로그 스케일로 그려져 있으므로 일반 스케일로 변환하면 직선이 아니라 지수적 증가로 바뀌게 된다.
즉 $V_T$ 이하에서도 전류가 지수적으로 증가하고 위 그래프만 보면 꽤 큰 누설전류로 느껴지지만
역시 로그 스케일로 표현한만큼 실제로는 큰 값은 아니다.
어찌됐든 이 기울기가 가파를수록 같은 전압 변화대비 전류 증가량이 크다는 의미이므로 on/off가 확실하고 좋다.
앞서 언급했듯 SS는 이 기울기의 역수이므로 SS가 작아야 기울기가 가파르고 on/off가 확실하여 성능이 좋다는 말이 된다.
이외에도 트랜지스터의 성능을 나타내는 지표들이 많이 존재하지만, 너무 많은 정보를 글 하나에 담으면 난잡해지는 감이 있으므로 지표 설명은 여기서 마무리한다.
여기까지 트랜지스터, 특히 MOSFET의 간단한 설명과 성능 지표에 대해 알아보았다.
하지만 여기까지만 설명하면 그래서 스위칭하는게 왜 중요한데? 라는 의문이 남고 잘 와닿지 않을 것이다.
그래서 실제 활용처를 설명하기 위해 그나마 간단한 DRAM 사례를 들어 설명해볼 것이다.
DRAM의 기본 단위인 1cell에는 1개의 transistor와 1개의 capacitor로 구성되어있다(1tr 1cap).
게이트에 문턱전압(Threshold Voltage, $V_t$ 이상의 전압을 걸면 해당 셀이 활성화 되어 Read/Write할 준비가 된다.
커패시터 반대편 단자에는 아래 사진과 같이 Bitline이 연결되어 있는데 이 bitline을 통해 커패시터에 전하를 채워넣거나(Write)
채워진 전하를 읽어(Read)서 데이터를 관리한다
설명 편의를 위해 커패시터가 풀충전 되었을 때의 전압을 $1V$ 라고 가정하자.
그러면 데이터를 읽거나 쓸 때 Bitline 전선에는 절반인 $0.5V$ 의 전압이 걸리는데,
만약 읽기의 경우 해당 셀의 커패시터가 $1V$ 였으면 $0.5V$인 bitline과 전압차이가 있으므로
일부 전하가 흘러 bitline의 전압이 상승하게 된다.
그러면 bitline에 연결된 amplifier가 이를 감지하고 bitline가 $1V$가 되도록 증폭을 통해 전압을 올리게 되고
Read driver 을 통해 읽은 값(1)이 전달된다.
쓰기의 경우 역시 bitline이 $0.5V$ 로 준비가 되는데, $0$을 쓰고 싶은 상황이라 가정하자.
Word line에 전압을 걸면 해당 셀이 활성화되고 read때와 마찬가지로 amplifier가 작동하여
$0.5V$였던 bitline을 $1V$로 바꾸려고 하게 된다.
하지만 Write의 경우 amplifier에 훨씬 강력한 Write driver가 연결되어
기존 bitline의 전압을 무시하고 쓰고자 하는 전압($0V$)으로 강제 고정시키고 해당 내용이 셀에 저장된다.
서두에서 트랜지스터의 역할은 증폭기 또는 스위치라고 했었다.
위 DRAM의 작동방식에서 데이터를 읽거나 쓸 때 wordline을 통해 해당 셀을 활성화/비활성화를 결정해야하는데
트랜지스터가 그 스위치 역할을 하고 있음을 이제 이해할 수 있을 것이다.
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