MOSFET: 아날로그의 원재료
디지털 설계자에게 MOSFET은 켜고 끄는 스위치다. 아날로그 설계자에게 MOSFET은 게이트 전압 하나로 전류의 크기를 정하는 전압 제어 전류원이다. 드레인 전압이 조금 흔들려도 전류가 거의 그대로라는 성질이 증폭기, 전류 미러, 차동 쌍, 그리고 이 책의 모든 블록을 떠받친다. 이 장은 반전층이 생기는 모습에서 출발해 전류–전압 곡선 세 가지(ID–VGS, ID–VDS, 영역 지도)를 손으로 끌며 읽고, 채널 길이 변조와 바디 효과 같은 2차 효과를 거쳐, 원하는 전류를 내는 트랜지스터의 크기를 직접 정한다.
- 게이트 전압이 반전층 전하를, 드레인 전압이 채널 모양을 바꾸는 과정을 단면으로 설명한다.
- 차단·선형·포화·약반전 네 영역을 ID–VGS, ID–VDS 곡선과 VGS–VDS 평면 위에서 구별한다.
- 제곱 법칙 \(I_D = \tfrac12\mu C_{ox}\tfrac{W}{L}V_{ov}^2\)과 약반전 지수 법칙(약 78 mV/dec)으로 전류를 손 계산한다.
- 채널 길이 변조(\(\lambda = 0.08/L[\mu m]\))와 바디 효과(\(\gamma = 0.45\))가 전류와 문턱 전압을 얼마나 바꾸는지 말한다.
- NMOS와 PMOS의 부호 규약을 지키며, 목표 전류와 과구동 전압에서 W/L을 정하고 레이아웃 모양을 떠올린다.
- AB-1의 기준 소자 NMOS 10/1 µm가 VGS 0.65 V에서 약 62 µA를 흘리며 포화에 있음을 확인한다.
구조와 반전층
NMOS 트랜지스터는 p형 기판 위에 n+ 영역 두 개(소스와 드레인)를 심고, 그 사이 기판 위에 얇은 산화막과 게이트 전극을 얹은 구조다. 단자는 넷이다. 게이트(G), 소스(S), 드레인(D), 그리고 기판인 바디(B). 소스와 드레인 사이의 거리가 채널 길이(Channel length) \(L\), 지면 안쪽으로 뻗은 폭이 채널 폭(Channel width) \(W\)이다. 소자의 이름표 "10/1"은 \(W/L = 10\,\mu m / 1\,\mu m\)를 뜻한다.
게이트 전압 \(V_{GS}\)를 0에서 올리면 게이트 밑 기판의 정공이 밀려나 음전하(억셉터 이온)만 남은 공핍층(Depletion region)이 생긴다. 더 올려 문턱 전압(Threshold voltage) \(V_{TH}\)(AB180 NMOS 0.45 V)을 넘으면 산화막 바로 밑에 전자가 모여 얇은 n형 층, 곧 반전층(Inversion layer)이 생긴다. 이 반전층이 소스와 드레인을 잇는 채널이다. 채널의 전자 수는 게이트가 문턱을 넘은 만큼, 즉 과구동 전압(Overdrive voltage) \(V_{ov} = V_{GS} - V_{TH}\)에 비례한다.
이제 드레인에 전압 \(V_{DS}\)를 걸면 전자가 소스에서 드레인으로 흐른다. 그런데 채널 위치마다 게이트와 채널 사이의 전압이 다르다. 드레인 쪽은 채널 전위가 \(V_{DS}\)만큼 높으니 게이트가 끌어당기는 힘이 약하고, 채널이 얇아진다. \(V_{DS}\)가 \(V_{ov}\)에 이르면 드레인 끝의 반전층이 사라진다. 이것이 핀치오프(Pinch-off)다. 아래 단면에서 두 전압을 바꿔 보자. 점 하나는 전자 한 무리이고, 점이 움직이는 속도가 곧 그 위치의 전자 속도다.
게이트가 채널을 만들고, 드레인이 채널을 기울인다
AN.mos로 계산했다. 전자 속도 = 전류 ÷ 그 자리 전하.)반전층이 두꺼울수록 같은 전류를 느린 전자로 나를 수 있다. 핀치오프 뒤에는 채널 끝에서 드레인까지 짧은 공핍 구간이 생기고, 전자는 그 구간을 강한 전계에 실려 건넌다. 전류를 정하는 것은 이미 소스 쪽 채널이 공급하는 전자의 양이므로 \(V_{DS}\)를 더 올려도 전류는 거의 그대로다. 소자 물리를 더 깊이 보려면 TCADBook의 MOSFET 장을, 이 구조를 실제로 만드는 공정은 ProcessBook을 참고한다.
이 책의 모든 수치는 가상의 교육용 공정 AB180(AN.PROC)에서 나온다. 180 nm CMOS, 코어 전원 1.8 V이며, 값은 교과서의 대표값 수준으로 맞췄다. 실제 파운드리의 수치가 아니다.
| 파라미터 | 기호 | NMOS | PMOS | 뜻 |
|---|---|---|---|---|
| 문턱 전압 | \(V_{TH0}\) | 0.45 V | 0.48 V(크기) | VSB = 0, 300 K |
| 공정 상수 | \(\mu C_{ox}\) | 280 µA/V² | 70 µA/V² | 이동도 × 산화막 커패시턴스 |
| 채널 길이 변조 | \(\lambda\cdot L\) | 0.08 µm/V | 0.10 µm/V | L = 1 µm에서 λ = 0.08 V⁻¹ |
| 바디 효과 계수 | \(\gamma\) | 0.45 √V | 0.40 √V | \(2\phi_F = 0.8\) V |
| 약반전 기울기 계수 | \(n\) | 1.3 | 1.35 | 약 78 mV/dec |
| 문턱 온도 계수 | \(dV_{TH}/dT\) | −1.0 mV/K | −1.2 mV/K | 이동도는 \(T^{-1.5}\) |
| 산화막 커패시턴스 | \(C_{ox}\) | 8.5 fF/µm² | 산화막 약 4 nm | |
| 최소 크기 | \(L_{min}, W_{min}\) | 0.18 µm, 0.22 µm | 아날로그는 L을 더 길게 쓴다 | |
스위치가 아니라 전압 제어 전류원
디지털 인버터에서 MOSFET은 게이트가 0 V면 꺼지고 1.8 V면 켜진다. 켜진 상태의 MOSFET은 작은 저항처럼 보인다. 그런데 게이트를 문턱 조금 위(예: 0.65 V)에 두고 드레인을 충분히 높이면 전혀 다른 물건이 된다. 드레인 전압이 얼마든 전류가 거의 같다. 이 성질을 가진 이상적인 소자가 전류원(Current source)이고, 그 전류의 크기를 게이트 전압이 정하므로 MOSFET은 전압 제어 전류원(Voltage-controlled current source)이다.
아래는 가장 단순한 증폭기, 드레인에 저항 \(R_D\)를 단 공통 소스 회로를 브라우저 SPICE(AN.circuit)로 푼 것이다. 오른쪽 그래프에서 부하선을 끌어 \(R_D\)를 바꿔 보자. 저항이 두 배가 되어도 전류가 그대로라면 트랜지스터가 전류원 노릇을 하는 중이다.
저항을 두 배로 바꿔도 전류는 그대로인가
트랜지스터 M1을 눌러 보자
동작점의 gm, ro, 영역이 여기에 나온다.
AN.circuit 동작점 해석)포화에 있을 때 저항을 두 배로 바꿔도 전류는 몇 % 줄어들 뿐이다. 그 몇 %가 다음 절에서 볼 채널 길이 변조이고, 증폭기의 이득을 결국 제한하는 값이다. 반대로 동작점이 무릎 왼쪽, 즉 선형 영역으로 넘어가면 트랜지스터는 게이트가 조절하는 저항이 된다. 스위치로 쓸 때는 이 영역을, 증폭기와 전류원으로 쓸 때는 포화 영역을 쓴다.
ID–VGS: 지수에서 제곱으로
드레인 전압을 포화 쪽(0.9 V)에 고정하고 게이트 전압을 훑으면 전달 특성(Transfer characteristic)이 나온다. 강반전(\(V_{GS}\)가 문턱보다 100 mV 이상 높은 곳)에서 전류는 과구동 전압의 제곱에 비례한다.
문턱 아래에서도 전류가 0이 되지는 않는다. 채널에 전자가 조금 있고, 그 수는 게이트 전압에 지수적으로 늘어난다. 이 약반전(Weak inversion, Subthreshold) 영역에서
그래프를 로그 축으로 바꾸면 약반전 구간이 곧은 직선으로 보인다. 그 기울기가 약 78 mV/dec이다. 선형 축에서는 \(\sqrt{I_D}\)가 직선이 되므로 그 직선을 0까지 이어 문턱 전압을 읽는다(외삽(Extrapolation)). 온도를 바꾸면 두 효과가 맞선다. 문턱 전압은 −1 mV/K로 내려가 전류를 늘리고, 이동도는 \(T^{-1.5}\)로 줄어 전류를 줄인다. 그 둘이 정확히 상쇄되는 게이트 전압이 ZTC 점(Zero temperature coefficient)이다.
로그 축으로 보면 문턱 아래가 보인다
AN.mos: 약반전–강반전 연속 모델, 속도 포화·이동도 저하 없음)로그 축에서 보면 0.45 V의 "문턱"은 날카로운 벽이 아니다. 전류는 1 pA 수준에서 시작해 78 mV마다 10배씩 늘다가 문턱 근처에서 제곱 법칙으로 휜다. 아날로그 회로는 이 전 구간을 쓴다. 저전력 회로와 큰 \(g_m/I_D\)가 필요한 입력 쌍은 문턱 근처의 중간 반전(Moderate inversion)에, 정합이 중요한 전류원은 강반전에 둔다. 이 선택을 체계화한 것이 3장의 \(g_m/I_D\) 방법이다.
약반전 기울기는 디지털에서는 누설 전류(Leakage)의 원인이다. 문턱을 100 mV 낮추면 꺼진 트랜지스터의 누설이 약 20배 늘어난다. 온도가 오르면 문턱이 내려가 누설이 더 커진다. ZTC 점은 AB180 NMOS에서 약 0.85 V 근처다. 그보다 낮은 바이어스(아날로그가 흔히 쓰는 0.6~0.7 V)에서는 온도가 오를 때 전류가 늘고, 높은 바이어스에서는 줄어든다.
ID–VDS 곡선군과 영역 지도
게이트 전압을 몇 단계로 고정하고 드레인 전압을 훑으면 출력 특성(Output characteristic) 곡선군이 나온다. 각 곡선은 원점에서 비스듬히 올라가다(선형) 무릎을 지나 거의 평평해진다(포화). 무릎의 위치가 \(V_{DS} = V_{ov}\)이고, 이 경계를 이으면 포물선 \(I_D = \tfrac12\mu C_{ox}\tfrac{W}{L}V_{DS}^2\)이 된다.
아래 곡선 위의 동작점을 끌어 보자. 점이 놓인 곡선의 \(V_{GS}\)가 정해지고, 그 자리의 \(g_m\)(곡선 사이 간격)과 \(r_o\)(곡선 기울기의 역수)가 계산된다. 손 계산(제곱 법칙)과 엔진 값도 나란히 보인다.
무릎의 왼쪽과 오른쪽
AN.mos, 손 계산은 \(\tfrac12\mu C_{ox}\tfrac WL V_{ov}^2(1+\lambda V_{DS})\)와 선형 영역 식)포화 영역의 곡선은 완전히 평평하지 않고 살짝 기운다. 이 기울기가 \(1/r_o\)이다. 무릎을 넘어 선형으로 들어가면 같은 \(V_{GS}\)에서도 \(r_o\)가 급격히 작아진다. 증폭기의 이득은 대략 \(g_m r_o\)이므로, 트랜지스터가 선형으로 빠지는 순간 이득이 사라진다. 아날로그 회로의 전압 여유(헤드룸)를 따질 때 "\(V_{DS} \ge V_{ov}\)를 지켜라"를 수없이 듣게 되는 이유다.
곡선군은 \(V_{GS}\) 몇 개만 보여 준다. 두 전압을 모두 축으로 놓으면 평면 하나에 네 영역이 칠해진다. 이 영역 지도에서는 경계선 \(V_{DS} = V_{GS} - V_{TH}\)가 대각선으로, 차단·약반전 경계가 세로선 근처로 보인다. 커서를 올려 각 점의 전류와 \(g_m\), \(r_o\)를 읽어 보자.
VGS–VDS 평면의 영역 지도
AN.mos의 영역 판정: 반전 계수 ic < 0.001 차단, VDS < VDsat 선형, ic < 0.1 약반전 포화)영역 지도에서 포화는 오른쪽 아래의 넓은 삼각형이다. 게이트를 올릴수록 포화에 머물기 위한 최소 \(V_{DS}\)가 커진다. 전원 1.8 V 안에 트랜지스터를 여러 개 쌓는 회로(캐스코드, 4장)에서 과구동 전압을 0.1~0.2 V로 작게 잡는 이유가 여기 있다. 약반전 띠는 좁아 보이지만 전류로는 여섯 자리(1 pA~1 µA)에 걸쳐 있다.
2차 효과: 채널 길이 변조와 바디 효과
제곱 법칙에서 포화 전류는 \(V_{DS}\)와 무관해야 한다. 실제로는 \(V_{DS}\)가 커질수록 핀치오프 점이 소스 쪽으로 다가와 실효 채널 길이가 \(\Delta L\)만큼 줄고, 전류가 조금 늘어난다. 이것이 채널 길이 변조(Channel-length modulation)다. \(\Delta L\)은 채널 길이와 거의 무관하므로, 짧은 소자일수록 \(\Delta L/L\)이 커서 효과가 크다.
짧은 채널은 기울고, 긴 채널은 평평하다
AN.mos: \(\lambda = 0.08\,\mu m/L\), 실제 짧은 채널의 DIBL은 포함하지 않음)위 그림이 아날로그 설계자가 최소 길이를 피하는 이유다. 0.18 µm 소자의 \(r_o\)는 1 µm 소자의 약 5분의 1이다. 그래서 AB-1의 증폭 소자와 전류원은 L = 0.5~1 µm로 그린다. 대가는 면적과 커패시턴스, 그리고 속도다. 길이를 몇 배 늘리면 같은 전류를 위해 폭도 그만큼 늘려야 하고, 게이트 면적 \(WL\)은 제곱으로 커진다.
두 번째 2차 효과는 바디 단자에서 온다. 소스가 바디보다 높은 전위에 있으면(\(V_{SB} > 0\)) 소스–기판 접합에 역바이어스가 걸려 공핍층이 넓어지고, 반전층을 만들려면 게이트가 더 많은 공핍 전하를 상대해야 한다. 그래서 문턱 전압이 오른다. 이것이 바디 효과(Body effect)다.
소스가 바디보다 높으면 문턱이 오른다
AN.mos)바디 효과는 소스가 접지에 붙어 있지 않은 트랜지스터, 예를 들어 소스 팔로워와 캐스코드 위쪽 소자, 차동 쌍의 입력 소자에서 나타난다. 바디가 두 번째 게이트처럼 작동해 \(g_{mb}\) ≈ (0.1~0.25)\(g_m\)의 추가 상호 컨덕턴스를 만들고, 소스 팔로워의 이득을 1보다 작게 만든다(4장). n-well 안의 PMOS는 소스와 웰을 묶어 바디 효과를 없앨 수 있다. 공통 p형 기판 위의 NMOS는 그럴 수 없다(삼중 웰 공정이 아닌 한).
NMOS와 PMOS, 그리고 크기 정하기
PMOS는 n-well 안에 p+ 소스·드레인을 심은 거울상 소자다. 채널을 정공이 나르고, 정공 이동도는 전자의 약 4분의 1이다. 그래서 AB180에서 \(\mu_p C_{ox}\) = 70 µA/V²로 \(\mu_n C_{ox}\) = 280 µA/V²의 4분의 1이다. 같은 전류, 같은 과구동 전압을 원하면 PMOS의 폭을 4배로 그려야 한다.
PMOS는 모든 전압과 전류의 부호가 뒤집힌다. 소스가 위(VDD 쪽)에 있고, 게이트가 소스보다 문턱만큼 낮아야 켜지며, 전류는 소스에서 드레인으로(위에서 아래로) 흐른다. 음수 부호와 씨름하지 않도록 이 책은 PMOS를 크기로 다룬다. \(V_{SG}\), \(V_{SD}\), \(|V_{TH}|\)을 쓰면 NMOS 식이 그대로 성립한다.
AN.mos(pdev, VSG, VSD)).이제 거꾸로 가 보자. 회로 설계는 "이 트랜지스터에 20 µA를 흘리고, 과구동 전압은 0.15 V로 하겠다"에서 출발한다. 제곱 법칙을 뒤집으면 필요한 \(W/L\)이 나온다.
L을 먼저 정한다(아날로그는 0.5~1 µm, 빠른 스위치는 최소 길이). 그다음 W를 계산한다. W가 수십 µm를 넘으면 한 줄로 그리지 않고 여러 개의 핑거(Finger)로 나눠 게이트를 나란히 놓는다. 이웃 핑거끼리 소스·드레인 확산을 함께 쓰므로 면적과 드레인 커패시턴스가 줄고, 모양이 정사각형에 가까워져 정합과 배치가 쉬워진다.
원하는 전류를 내는 트랜지스터를 그려라
손 계산과 엔진 전류가 몇 % 다른 이유는 두 가지다. 손 계산은 \(\lambda V_{DS}\) 항(약 7%)을 빼고, 문턱 근처의 부드러운 이음을 무시한다. 과구동 전압이 0.15 V 아래로 내려가면 그 차이가 수십 %로 커진다. 실무에서는 손 계산으로 출발점을 잡고, 시뮬레이터로 W를 다듬는다.
커브 트레이서로 종합하기
실험실에서는 커브 트레이서(Curve tracer)라는 장비로 트랜지스터의 곡선군을 한 화면에 그린다. 게이트에 계단 전압을 걸고, 단계마다 드레인 전압을 훑어 전류를 그린다. 아래는 그 장비를 흉내 낸 종합 시뮬레이터다. 소자 종류, 크기, 온도를 바꾸면 AN.circuit이 소자 하나짜리 회로를 다시 풀고 빔이 곡선을 새로 긋는다. 화면을 끌면 커서 자리의 영역과 \(g_m\), \(r_o\)가 뜬다.
커브 트레이서: 이 장의 모든 곡선을 한 화면에
AN.circuit으로 DC 스윕. PMOS는 소스를 1.8 V에 두고 VSG, VSD, |ID|를 그린다. 제곱 법칙 + 약반전 연속 모델, 속도 포화·이동도 저하 없음)이 엔진이 일부러 빼놓은 효과가 있다. 짧은 채널에서는 전계가 세서 전자 속도가 더 늘지 않는 속도 포화(Velocity saturation)가 생겨, 전류가 \(V_{ov}^2\)가 아니라 \(V_{ov}\)에 가깝게 늘어난다. 게이트 전계가 세면 전자가 산화막 계면에 부딪혀 이동도 저하(Mobility degradation)가 생기고, 드레인 전압이 문턱을 깎는 DIBL도 있다. 이 효과들은 큰 \(V_{ov}\)와 최소 길이에서 두드러진다.
AN.mos는 강반전에서 정확히 제곱 법칙, 약반전에서 지수 법칙, 그 사이를 매끄럽게 잇는 교육용 모델이다. 속도 포화, 이동도 저하, DIBL, 게이트 누설, 접합 누설은 없다. 그래서 큰 과구동 전압(0.4 V 이상)과 0.18 µm 소자에서는 실제보다 전류와 \(g_m\)을 크게 예측한다. 아날로그 회로가 주로 쓰는 \(V_{ov}\) 0.1~0.25 V, L 0.5 µm 이상에서는 실제 소자와 경향이 잘 맞는다. 실제 설계에서는 BSIM 같은 파운드리 모델로 마지막 확인을 한다.그래도 손 계산의 가치는 그대로다. 제곱 법칙은 "\(V_{ov}\)를 반으로 줄이면 같은 전류에 폭이 네 배", "L을 두 배로 하면 \(r_o\)도 두 배" 같은 방향 감각을 준다. 시뮬레이터는 그 감각이 맞는지 숫자로 확인해 준다. 이 둘을 오가는 것이 아날로그 설계의 기본 리듬이다.
기준 소자: NMOS 10/1 µm, VGS 0.65 V → 약 62 µA, 포화
AB-1의 모든 블록은 AB180 공정의 트랜지스터로 만든다. 이 장에서 공정 파라미터(AN.PROC: NMOS \(V_{TH0}\) 0.45 V, \(\mu_nC_{ox}\) 280 µA/V², \(\lambda L\) 0.08 µm/V, PMOS \(\mu_pC_{ox}\) 70 µA/V²)를 소개했고, 기준 소자 NMOS 10/1 µm를 \(V_{GS}\) 0.65 V(\(V_{ov}\) 0.2 V), \(V_{DS}\) 0.9 V에 두면 엔진 전류가 약 62 µA(손 계산 60 µA), \(g_m\) ≈ 581 µS, \(r_o\) ≈ 215 kΩ이고 영역 지도에서 포화 영역 안쪽, 선형 경계까지 약 0.7 V의 여유가 있음을 확인했다. 증폭·전류원 소자는 최소 길이 0.18 µm가 아니라 L = 0.5~1 µm로 그린다. 0.18 µm에서는 같은 W/L의 \(r_o\)가 약 5분의 1로 줄기 때문이다.
핵심 정리
- 게이트 전압이 문턱(AB180 NMOS 0.45 V)을 넘으면 반전층 전하가 \(V_{ov}\)에 비례해 생기고, 드레인 전압은 드레인 쪽 채널을 얇게 만든다. \(V_{DS} \ge V_{ov}\)에서 핀치오프가 일어나 전류가 거의 일정해진다.
- 포화의 MOSFET은 스위치가 아니라 전압 제어 전류원이다. \(I_D = \tfrac12\mu C_{ox}\tfrac WL V_{ov}^2(1+\lambda V_{DS})\). NMOS 10/1 µm, \(V_{GS}\) 0.65 V에서 약 62 µA(손 계산 60 µA).
- 문턱 아래에서 전류는 지수적으로 줄고 기울기는 \(nU_T\ln10\) ≈ 78 mV/dec다. 온도가 오르면 문턱은 −1 mV/K, 이동도는 \(T^{-1.5}\)로 변하며 그 균형점이 ZTC 점(약 0.85 V)이다.
- 선형 영역(\(V_{DS} < V_{ov}\))에서 트랜지스터는 저항이고 \(r_o\)가 무너진다. 증폭 소자는 항상 포화 경계에서 여유를 두고 바이어스한다.
- 채널 길이 변조 \(\lambda \approx 0.08/L[\mu m]\)는 짧은 소자에서 크다. 그래서 아날로그 소자는 L = 0.5~1 µm로 그린다. 바디 효과는 \(V_{SB}\) 1 V에서 문턱을 약 0.2 V 올린다.
- PMOS는 \(\mu_pC_{ox}\)가 NMOS의 4분의 1이라 같은 전류에 폭이 4배다. 크기는 \(W/L = 2I_D/(\mu C_{ox}V_{ov}^2)\)로 출발하고, 큰 W는 핑거로 나눈다.
확인 퀴즈
1. AB180 NMOS(\(\mu_nC_{ox}\) = 280 µA/V², \(V_{TH}\) = 0.45 V)의 W/L = 20, \(V_{GS}\) = 0.6 V, 포화. 채널 길이 변조를 무시한 손 계산 드레인 전류는?
2. 포화 영역의 NMOS에 대한 설명으로 옳은 것은?
3. 약반전 기울기 계수 \(n\) = 1.3, 300 K(\(U_T\) ≈ 25.9 mV)인 NMOS에서 드레인 전류를 100배 줄이려면 게이트 전압을 얼마나 낮춰야 하는가?
4. AB180에서 L = 2 µm인 NMOS가 포화에서 \(I_D\) = 50 µA를 흘린다. 출력 저항 \(r_o\)는 대략?
5. NMOS 10/1 µm와 같은 전류를 같은 \(V_{ov}\)로 흘리는 AB180 PMOS(L = 1 µm)의 폭으로 가장 가까운 것은?