[소자]

[반도체소자] MOSFET의 문턱전압과 Sub Threshold Current

Neo Park 2012. 1. 2. 12:17

일단 MOSFET의 원리를 보면 Gate 전압이 Threshold Voltage보다 커야 채널이 형성되어

 

Drain과 Source 사이에 전류가 흐르는 것은 모두가 아는 사실일 껍니다.

 

그렇다면 이상적으로 생각했을 때..

 

Vgs < Vth(Vth : Threshold Voltage) 인 상황이라면..

차단영역이기 때문에 완벽한 채널이 형성되지 못하여 Drain과 Source사이에 전류가 흐르지 못하겠지요.

 

하지만 실제로는 그렇지 않다는 것입니다.

 

마치 Diode에서 Reverse Bias가 걸렸을 때 역방향 전류가 0이 아닌것처럼 말이지요.

 

즉, Gate - Source의 전압인 Vgs가 문턱전압인 Vth보다 작더라도 Drain과 Source 사이에 전류가 미약하게

 

흐를 수 있다는 것입니다.

 

1.jpg

즉, 위와 같이 Vgs가 Vt가 되기 이전에 이미 Id(드레인 전류)는 증가하고 있다는 것이죠.

이렇게 문턱전압에 도달하기 전에 흐르는 전류를 Sub Threshold Current 라고 합니다.

 

이는 실제 전자들의 에너지 분포에서 몇 개는 볼츠만 분포에 의해 상대적으로 높은 에너지를 가지고 있고

이런 전자들이 완벽하지 않은 채널사이에 흘러들어가서 Sub Threshold Current를 만들어 내는 것이죠.

따라서 아래와 같은 식이 문턱누설전류의 식이 됩니다.

2.jpg

위의 식을 봐도 볼츠만 상수와 절대온도가 관련된 것을 볼 수 있지요.

또한 Vgs를 통해 문턱누설전류는 게이트의 문턱전압과 관련된 것을 알 수 있습니다.

 

이것이 요즘 이슈가 되는 이유는 MOSFET와 같이 높은 입력 임피던스를 가지고 있어 저전력

설계에 이용되는 것에 문제가 있습니다.

저전력 설계를 위한 반도체를 구동하기 위해서는 일단 게이트 전압의 문턱전압이 작아져야 하는

것이죠. 즉, 기존에는 5V의 문턱전압이 3.3V로 낮아지고.. 요즘에는 다시 1.8V정도로 낮아지면서

저전력 설계를 구현하게 된다는 것이죠.

근데 이렇게 문턱전압이 낮아지다가 보니 충분히 높은 전압의 게이트 전압에서는 누설전류가 큰

문제가 안되었는데 낮은 문턱전압으로 누설되는 전류의 양이 전체 소모전력의 중요한 부분이 되었다는

것이죠.

예를 들면 5V 구동일 때 3V만 되어도 누설전류가 생기고 이는 전체전력에서 큰 부분이 아니겠지만..

1.8V 구동에 0.7V에 누설전류가 있다면 전체적으로 큰 전력소모가 된다는 것이죠.

사실 0.7V 정도는 노이즈 영향으로도 생길 수 있으니까요.

 

이렇게 된다면 저전력 설계라는 것이 반도체 회사 입장에서는 무의미해지게 되니까 이를 잡는

방법이 강구되어야 했던 것입니다.

 

또한 VLSI로 소자가 더 작아지면서 더욱 문제가 되는 부분이에요.

 

출처: http://j102.net/hardware/3551