1. MOSFET에서pinch-off에 대한 개념과 threshold voltage에 대한 개념을 보다가 질문이생겼습니다. MOSFET내에 Channel length가 Vg와 Vd의 전압차에 의해서 길어졌다가, 짧아졌다가 달라지며 전압차가 0 지점인 pinch off의 위치도 달라진다는 개념을 이해했습니다. 그런데제가 조금 헷깔리는 것은 실제 반도체 제품은 pinch off을 어디에 위치하도록 설계하는 것이 좋은것인지 좀 혼동이 왔습니다. Vd에 더 큰 전압을 걸어서E-field를 형성시켜 pinch off 지점을source쪽으로 옮겨 전자가 잘 이동하도록 하는 것이 유리한 것인지 궁금합니다.

그리고 Threshold V, Vg, Vd 이 각 인자들의 수치는 설계단계에서 미리 정해서반도체 소자가 가장 최적화 되는 Channel length로 고정해서 만드는 것인지 질문드리고 싶습니다. 이런 질문을 드리는 것 자체가 제가 기초가 부족하구나.. 하는 생각이듭니다ㅠㅠ

답) 기초가 전혀 부족하지 않습니다. 한국학생들의 단점중에 하나가 궁금한 사항을 그냥 꾹 참고 넘어가는 점입니다. 외국 학생 특히 미국학생들의경우는 궁금한 것은 바로 바로 질문을 던져서 해결합니다. 권진우학생 같은 사람이 미래 대한민국 반도체산업을 이끌어갈 재목이라 생각합니다. 열심히 하세요.

먼저 답을 하기전에 옛날부터 반도체의 가장 큰 이슈사항은 어떻게 하면 선폭을 줄여서 같은 웨이퍼내에 더 많은 칩을 생산하고 또 소비전력을줄이느냐가 가장 큰 고민거리이고 각 반도체가 서로 앞다투어 개발하고자 하는 방향이었다는 것을 잘 이해할겁니다.

이것을 먼저 이해하고나서 답을 하면

Pinch-off 지점 설계를 따지기 전에 현재의 반도체 메모리소자MOSFET의 선폭은 이미 수나노에서 수십나노 정도밖에 되지 않아 shortchannel effect를 고려한 소자입니다. 따라서 작은 Vd에도 이미 pinch-off이 되었고 depletion영역이 source와 drain에 걸쳐서 이미 overlap되어있는 상태이지요. 따라서 현재 메모리안에 들어가는 MOSFET 소자의 선폭은 수나노에서수십나노정도밖에 되지 않고 여기서는 short-channel로 해석해서 어떻하면 더 큰 전류를 많이얻어내느냐가 가장큰 관건입니다. 따라서 최근에 유행하는 FinFET이라는소자가 3차원적으로 gate에 바이어스를 가해서 더 많은전류를 얻고자 하는 것입니다.

자 이제 channel length는 각 반도체 회사마다 얼마정도의 channel length로 가야할지 정해져 있습니다. 정해서 channel length에서 Vth 최적의 Vg, Vd등은 반도체 소자 simulator 예를 들어 silvaco, Cadence라든지 아주 정확하고 신뢰성있는 프로그램 툴을 이용하여 결정한 다음 반도체 소자 process를 거쳐 양산을 합니다.

이해가 되셨기를

2. Depletion mode는 V=0인상태에서도 전류가 흘러 leakage current로 인해 디바이스에 잘 사용하지 않는다고 하셨습니다. 하지만 디스플레이에서는 이 방법이 사용된다고도 하셨는데, 그 말씀은모바일용 디스플레이가 아닌 콘센트를 사용하는 TV 등에 해당되는 말씀인지 궁금합니다. 왜냐하면, 모바일에도 디스플레이가 있지만, 베터리를 사용하기 때문에, leakage current가 발생하면베터이 수명이 줄어드는 문제가 발생하므로 디스플레이지만 enhance mode를 사용해야하지 않을까.. 생각이 들었습니다. 

답) 디스플레이 패널은 반도체와 달리 마스크 수가 TFT의경우 4장에서 6장정도만 있어도 양산이 가능합니다. 반도체 메모리처럼 수십장의 마스크가 필요하지 않습니다. 따라서 1장의 마스크를 줄이는 것이 디스플레이 패널 양산 관점에서는 아주 중요한 일입니다. 디스플레이 패널에 들어가는 TFT소자도 MOSFET 구조와 같은데 대부분 Vth가 depletion mode로 Vth=0V에서도 leakage current가 흐릅니다. 하지만 디스플레이 패널은 동작전압을On전압의 경우 Vg=+20V 정도로 잡고 Off전압을 Vg=-10V정도로 잡아 Vg=-10V정도에서는 아무리 depletion mode여도 leakage 전류를 확실히 잡을 수 있습니다. 그만큼 디스플레이 패널에서는동작전압의 범위가 반도체 소자보다는 큰 편입니다. 따라서 마스크 수를 불필요하게 늘여서 양산성도 떨어지고원가도 올리기 보다는 동작전압을 좀더 넓혀서 off바이어스 조건에서 확실히 leakage 전류를 없앨수 있는 방법이 있습니다.

특히 TV와 모니터 그리고 tablet까지는이렇게 여유있게 동작전압을 잡아서 사용하고 있습니다.

하지만 반도체 소자자체는 동작전압이 워낙 작다보니 아마 3V이하일겁니다. 이런 빡빡한 동작전압조건에서는 leakage 전류가 큰 이슈가 됩니다. 따라서 동작전압이 여유가 없으니 마스크 수를 늘여서라도 확실히 enhancementmode로 만드는 것이 중요하지요. 메모리 반도체소자의 경우 마스크 수가 수십장이 필요하기때문에 한장 더 마스크를 늘인다고 원가가 아주 많이 올라가지 않으니 반도체 디스플레이에서 어느 부분이 여유가 있는지 예를어 마스크 수냐 동작전압이냐어느부분이 여유가 있느냐에따라 최적화를 하는 작업이 필수입니다. 이해가 되었기를 빕니다.

16일 수강기간이 완료되면 잊지마시고 수강후기도 좀 남겨주시고 (좋은점뿐만 아니라 개선점도)

주위에 지인분들에게도 홍보 많이 부탁합니다.