MOSFET Body Effect (Vth Modulation) - 모스펫 기판효과

앞서 살펴보았듯 MOSFET은 4단자 소자이다. 일반적으로 MOSFET의 동작을 설명할 때에는 Body, 즉 기판을 고려하지 않고 Gate, Source, Drain 3개의 소자로 설명하곤 한다. 이는 Body 단자를 접지로 가정하고 설명하여 그런 것이다.

 

Body Effect는 그 이름에서도 예상할 수 있듯 Body 단자에 의해 발생하며 이는 간단히 설명하면 Vth 문턱전압을 제어하는 방법이다. 이때, Body란 MOSFET의 기판을 뜻하며 nmos의 경우 p-substrate, pmos의 경우 n-substrate를 의미한다.

 

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0. Body Effect - 기판효과

Body Effect란 MOSFET의 Body에 역방향 바이어스, 즉 음의 전압을 인가하여 Vth(문턱전압)이 높아지는 현상이다. 이는 Vth Modulation이라고도 하며 한글로 기판효과, 기판 바이어스 효과, 몸체효과라고 한다.

 

그 과정을 조금 더 자세히 살펴보면 아래와 같다.

 

Body Effect

1. p형 기판(Body)에 음의 전압을 인가한다.
2. p형 기판의 정공들이 Body 단자 쪽, 즉 기판의 아래쪽으로 이동한다.
3. MOSFET의 공핍층(depletion)에 acceptor 음이온이 많이 모인다.
4. 공핍층의 두께가 두꺼워진다.
5. 채널의 형성을 위해 Gate에 가해야 하는 전압(=문턱전압)이 커진다.

※ Source에는 통상적으로 0V가 인가되고, Drain에는 그보다 큰 전압이 인가되므로 Vdb(drain-body)가 Vsb(source-body)보다 크기 때문에 특히 drain 쪽의 공핍층 두께가 더 넓어진다.

 

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1. 완화 방법

문턱전압이 너무 높으면 채널이 형성되기 위해 많은 전압을 필요로 하여 높은 전력이 요구된다. 따라서 Body Effect 효과를 완화하기 위한 방법은 아래와 같다.

# Tox 조절

Tox, 즉 oxide 층 두께를 줄여서 기판 효과를 완화시킨다. Tox가 줄어들면 Cox는 커지게 되므로 같은 gate 전압에 대해 더 많은 전하가 모인다. 이에 따라 Vth가 상대적으로 낮아진다.

# 도핑 농도 조절

채널 쪽에는 상대적으로 옅게 도핑하고, p형 기판 쪽에는 진하게 도핑한다. 도핑 농도가 높을수록 depletion이 덜 일어나기 때문에 Body Effect를 완화시킬 수 있다.