MOSCAP이란?

1. MOSCAP이란?

○ MOSCAP이란 Metal Oxide Semiconductor Capacitor의 약자입니다.

○ MOSCAP은 이름에서 알 수 있듯이 Metal = 금속, Oxide = 절연체, Semiconductor = 반도체로 이뤄진 캐피시터입니다.

○ 캐피시터는 두 개의 금속전극과 그 사이의 유전체로 이뤄져 있습니다. MOSCAP은 이와 유사하게 금속과 반도체 사이 절연체가 삽입된 상태로 캐피시터의 역할을 합니다.

 

 

2. MOSCAP 동작 특성

1) n-type MOSCAP의 동작 특성

○ n-type MOSCAP의 동작은 Accumulation(축적), Depletion(공핍), Inversion(반전) 3가지로 나눌 수 있습니다.

 

○ 첫 번째 사진은 Accumulation을 나타내고 있습니다.

Metal 쪽에 + 전압을 인가하였고, 이에 전자가 Oxide 근처로 몰려들어 축적되는 모습을 확인할 수 있습니다. 또한 페르미 준위가 전도대에 가까워진 모습을 확인할 수 있습니다.

 

○ 두 번째 사진은 Depletion을 나타내고 있습니다.

Metal 쪽에 - 전압을 인가하였고, 이에 전자가 Oxide 근처에서 밀려나게 됩니다. 이에 Xd만큼의 공핍층이 생깁니다. 이 공핍층은 절연체의 역할과 동일합니다. 따라서 Oxide와 공핍층이 병렬로 연결된 두 개의  Cap으로 인식되며, Cap 값이 감소하는 현상이 발생합니다.

 

○ 세 번째 사진은 Inversion을 나타내고 있습니다.

Metal 쪽에 더 강한 -전압을 인가하였고, 이에 정공이 Oxide 근처로 모이게 됩니다. 이에 페르미 준위가 가 전자대에 가까워지며 P-type 반도체의 에너지 밴드 모습을 하게 됩니다.

 

2) p-type MOSCP의 동작특성

○ p-type MOSCAP의 동작도 n-type MOSCAP과 마찬가지로 Accumulation(축적), Depletion(공핍), Inversion(반전) 3가지로 나눌 수 있습니다.

 

○ 첫 번째 사진은 Accumulation을 나타내고 있습니다.

Metal 쪽에 - 전압을 인가하였고, 이에 정공이 Oxide 근처로 몰려들어 축적되는 모습을 확인할 수 있습니다. 또한 페르미 준위가 가 전자대에 가까워진 모습을 확인할 수 있습니다.

 

○ 두 번째 사진은 Depletion을 나타내고 있습니다.

Metal 쪽에 + 전압을 인가하였고, 이에 전자가 Oxide 근처에서 밀려나게 됩니다. 이에 Xd만큼의 공핍층이 생깁니다. 이 공핍층은 절연체의 역할과 동일합니다. 따라서 Oxide와 공핍층이 병렬로 연결된 두 개의  Cap으로 인식되며, Cap 값이 감소하는 현상이 발생합니다.

 

○ 세 번째 사진은 Inversion을 나타내고 있습니다.

Metal 쪽에 더 강한 + 전압을 인가하였고, 이에 정공이 Oxide 근처로 모이게 됩니다. 이에 페르미 준위가 전도대에 가까워지며 P-type 반도체의 에너지 밴드 모습을 하게 됩니다.

3. MOSCAP C-V 특성

○ C-V 특성의 X 축은 Gate 전압을 Y 축은 커패시터 용량을 의미합니다.

(1) Low Frequency 상태

○ 좌측의 그래프는 Low Frequency 상태의 MOSCAP C-V 특성입니다.

○ p-type MOSCAP기준 -전압을 인가시 커패시터 용량은 기존과 같습니다.

○ 전압을 점점 상승시켜 Depletion 영역에 이르게 되면 공핍층이 커지면서 즉 병렬로 연결된 Cap의 값이 커지면서 전체적인 C의 값이 작이지는 것을 확인할 수 있습니다.

○ 이후 전압을 더 상승시키면 반전을 지나 원상태로 C 값이 복귀하는 것을 확인할 수 있습니다.

(2) High Frequency 상태

○ 우측 그래프는 High Frequeincy 상태의 MOSCAP C-V 특성입니다.

○ C-V 특성 그래프가 Depletion 영역까지는 동일하지만 Inversion 영역에서 C의 값이 작아진 채로 유지되는 것을 확인할 수 있습니다.

○ 이는 고주파의 스위칭 속도가 소수 캐리어의 이동보다 빠르기 때문에 MOSCAP이 전압의 변화에 빠르게 반응할 수 없으며, 처음 상태를 유지하는 것입니다.

○ 다시 말해 만약 저주파로 Strong Inversion 영역에 들어가 C 값을 회복한 뒤 고주파를 인가한다면, C 값이 회복한 상태로 고정될 것입니다.