[VLSI기초 - CMOS logic] 0. MOSFET(NMOS, PMOS)

MOSFET(Metal oxide Semiconductor Field Effect Transistor)은 쉽게 말해서 Gate의 Voltage를 통해 source 와 drain 사이에 흐르는 전류를 컨트롤하는 소자를 말한다. 흔히 수도꼭지로 많이 비유한다.

 

기본 구조는 source, gate, drain, polysilicon, 기판substrate 또는 body 또는 bulk si, SiO2 으로 구성되어있다.

SiO2는 절연체를 사용하고, gate는 전도성을 가져야하므로 초기에 금속을 사용하여 MOS라는 이름을 사용했지만 polysilicon으로 대체하여 사용하는 지금에도 관습적으로 사용한다.

소스와 드레인은 물리적으로 동일하여 언제든지 서로 바꾸어 설명이 가능하다.

 

NMOS의 경우, 기판(substrate)는 gnd에 연결되어 있고 소스와 드레인이 기판과 이루는 p-n접합이 역바이어스라서 gate가 0이면 역바이어스된 접합에서 전류가 흐르지 않는다. 하지만 gate가 1이 되면 전기장을 만들고 소스와 드레인 사이의채널을 형성하게 된다. 이때 drain의 voltage가 높다면 전자가 source에서 drain으로 흐르면서 전류가 흐르게 된다. 

 

>>*여기서 1과 0이라는 것은 디지털 회로에서의 논리적인 0과1 값을 의미한다. 실제 Vdd값은 tr이 작아지면서 높은 전압을 견디기 힘들어 1보다 작으며 그렇기 때문에 gate에 들어가는 input 값이 1보다 작거나 클수도 있지만 논리값으로 1일때를 의미하는 것이다. 

 

반대로 PMOS는 NMOS와 반대로 작동한다.

 

 

PMOS의 심볼을 보면 게이트의 ㅇ붙어있는 이유는 0일때 turn on 되기 때문이다.

 

NMOS,PMOS planar 구조

그래서 회로설계 관점에서 핵심은

NMOS는 1일때 turn on 되고 PMOS는 0일때 turn on 된다는 것이다.

 

또 NMOS는 0을 잘 전달하고 PMOS는 1을 잘 전달하는데 그 이유는

NMOS와 PMOS는 turn on 되어 소스에서 드레인으로 신호를 전달할 때 drain의 Voltage가 gate와 Vth만큼 차이가 나야 satuation하기 때문이다.

즉, NMOS는 1일때 turn on 되기 때문에 Vd=Vg-Vth까지 상승할 수 있고

PMOS는 0일때 turn on 되기 때문에  Vd=+Vth까지 떨어질 수 있는 것이다.

pass transitor

이러한 PMOS와 NMOS를 가지고 CMOS를 만드는데 한 substrate안 에서 PMOS NMOS를 만들어야하기때문에 아래와 같이 p-sub 기준으로 nmos를 만들고 pmos를 만들기 위해서 한 부분에 PMOS의 substrate를 위하여 만든 것이 n-well이다.

아래는 CMOS의 cross-section view이다. 

CMOS cross-section view

CMOS에 대해서 다음 장에서 좀 더 알아보자