누구나 배울 수 있는 MOSFET device 반도체 study의 시작

안녕하세요. 공돌이 입니다.

반도체 관련된 자료는 다양한 곳에서 제공되고 있지만, 막상 다양한 곳에 흩어져 있기 때문에 필요로 하는 자료가 항상 적다는 느낌이 많았습니다. 특히 기본적인 자료들은 영어로 전문 서적이 그대로 옮겨져 있거나, 책의 내용을 그대로 옮겨서 이해를 하기에는 조금 부족한 감이 있었습니다. 그래서 본 카테고리에서는 가급적 쉽게 반도체에 대해서 풀어 설명을 해 보고자 합니다. 특히 MOSFET과 관련된 정보를 주로 다룰 예정입니다. 다만 기존 교과서처럼 슈레딩거 방정식, fermi level, PN junction, CV curve, MOSFET, invertor의 순으로 자료를 정리하지 않고, MOSFET device 측면과 신뢰성 측면, 그리고 측정 system에 대해서 소개하고 설명을 해 보고자 합니다.

 

ㄱ. MOSFET device 측면?

MOSFET은 metal oxide semiconductor field effect transistor의 약자입니다. 고등학교 교육과정에서도 일부 다루고 있습니다. PN junction, BJT, MOSFET 순으로 실제 device가 되기 위한 구조와 동작 환경에 대해서 다양한 방법으로 설명이 되고 있습니다. 하지만 실제로 MOSFET이라는 device을 뜯어보면 어떤 모양으로 생겼고, 이러한 구조는 왜 채택되어 사용이 되고 있는가에 대한 설명이 많이 부족한 것이 사실입니다. 왜냐하면 교과서는 구동 원리와 물리적인 현상에 대한 설명이 주를 이루기 때문입니다. 물론 물리적인 현상과 구동 원리를 정확히 아는 것도 중요합니다. 하지만 왜 이러한 구조가 선택이 되었고, 어떤 원리로 그 구조가 좋을 수밖에 없는지 이해하는 것도 매우 중요합니다.

 

MOSFET은 n-type과 p-type으로 나뉘어 사용이 됩니다. 교과서에서는 주로 한 가지 type에 대해서만 설명을 하고, 시험으로 반대 type의 구조에 대해서 문제 풀이를 요구하는 경우가 많습니다. 우리가 현실에서 사용하는 System IC, DRAM, NAND 모두 n-type과 p-type MOSFET이 골고루 사용이 되고 있습니다. 따라서 두 type에 대한 특징과 장단점을 명확히 파악하고 있어야 할 필요가 있습니다.

 

MOSFET이라는 device 하나를 알면 다음은 실제 회로에서 동작하기 위한 구조에 대한 이해가 필요합니다. MOSFET은 전원 스위치와 같습니다. 키면 전기가 흐르고, 그면 전기가 끊어지는 아주 단순한 device입니다. n-type과 p-type을 묶어서 invertor 구조를 만들어 0이 들어오면 1이 나오고, 1이 나오면 0이 나오는 특정 파형도 만들 수가 있습니다. 이를 ring oscillator라고 부르며 특정 주파수를 가지는 clock을 형성합니다. Ring oscillator에 대해서도 다양한 자료가 많이 있습니다. 다만 주파수 구하는 방법 정도로만 자료가 있고, 또 대부분이 영어로 이루어져 이해하기 조금 어려운 부분이 있습니다. 향후 포스트에서는 이러한 부분에 대해서 자세히 다루어 보고자 합니다.

 

ㄴ. 신뢰성?

휴대폰, 컴퓨터, 냉장고, TV, 자동차 몇 년씩 사용하시나요? 1년 만에 고장이 난다면 매우 곤란하겠죠? 전기차를 샀는데, 1년 안에년안에 먹통이 되어 버린다면, 그것도 주행 중에 발생한다면 매우 끔찍한 일이 예상이 됩니다. 다양한 리뷰가 유행하면서 특히 자동차 리뷰 중 “품질”이라는 단어를 많이 들어 보셨을 것이라 생각합니다. 신뢰성이란 품질도 포함이 되는 내용입니다. 다른 예로 휴대폰 광고에서 튼튼함을 강조하기 위해 집어던지고, 물에 넣고 흙에 넣고 하는 행위를 보이곤 합니다 또 미군에서 요구하는 성능 기준에 맞춘 납품 규격인 MIL-SPEC 일명 밀스펙 이 또한 신뢰성의 일부입니다. 이와 같이 MOSFET도 특정 신호에 맞춰 동작을 지속적으로 해야 하기 때문에 반도체 또한 품질에 대한 보장이 필요로 하게 됩니다. 반도체 공학에서는 이 신뢰성 만의 분야가 있으며, 어떻게 측정하고 어떻게 분석하는지 지속적으로 연구가 되고 있습니다. 하지만 교육 자료는 사실 한국어로 된 것이 매우 적습니다. 그래서 향후 포스트에서는 이러한 신뢰성 측면의 issue와 내용에 대해서 정리를 해 보고자 합니다.

 

ㄷ. 측정 system 도 특별한 측면이 있는가?

MOSFET이 어떠한 공정으로 만들어지고, 어떠한 전기적 특성을 가지고, 어떤 곳이 쓰이는지에 대한 내용은 많이 공유되어 있습니다. 하지만 교과서에서 보는 current-voltage 커브는 어떻게 측정하는 것인지 자세히 설명된 자료가 적습니다. 또 invertor를 측정하고 싶은데 어떻게 하면 되는지 최근 측정 방식의 trend는 무엇인지에 대해서는 정말 자료가 적습니다. 그래서 어떻게 측정을 해야 하는지, 어떤 측정 방식이 채택되고 있는지 해외 논문과 업체 자료 등을 참고하여 자료를 작성해 보고자 합니다.

 

어려운 공학적인 내용도 중요하지만, 쉽고 이해할 수 있는 용어와 단어를 최대한 활용하여 MOSFET이 얼마나 쉬운 것인지 얼마나 재미있는 공학 분야인지 소개를 지속적으로 해 보고자 합니다.

 

감사합니다.