MOS 커패시터

MOS 커패시터(Metal-Oxide-Semiconductor capacitor)는 금속(또는 다결정 실리콘) 게이트, 얇은 산화막, 반도체 기판을 쌓은 2단자 구조로, 게이트 전압에 따라 반도체 표면이 축적·공핍·반전 상태로 바뀌어 커패시턴스가 달라지며 MOSFET 게이트 부분의 동작을 그대로 보여 준다.

구조

게이트 전극과 기판이 두 극판, 산화막(SiO₂)이 유전체다. 산화막만의 커패시턴스는 C_ox = ε_ox/t_ox(단위 면적당)로, 이 구조가 낼 수 있는 가장 큰 값이다
반도체 표면에 공핍층이 생기면 그 공핍층 커패시턴스 C_dep 가 C_ox 와 직렬로 더해져 전체 커패시턴스가 작아진다
기판이 n형이면 n형 기판 MOS 커패시터(흔히 'n형 MOS 커패시터'), p형이면 p형 기판 MOS 커패시터다. MOSFET 으로 보면 n형 기판은 P채널, p형 기판은 N채널 소자가 된다

세 가지 상태

상태	p형 기판의 게이트 전압	n형 기판의 게이트 전압	반도체 표면	커패시턴스
축적(accumulation)	음(-)	양(+)	다수 캐리어(p형은 정공, n형은 전자)가 산화막 아래로 끌려와 쌓인다	C_ox (최대)
공핍(depletion)	0 ~ 문턱 전압 사이의 작은 양	0 ~ 문턱 전압 사이의 작은 음	다수 캐리어가 밀려나 공핍층이 생긴다	C_ox 와 C_dep 직렬, 전압을 더 걸수록 줄어든다
반전(inversion)	문턱 전압보다 큰 양	문턱 전압보다 큰 음	소수 캐리어(p형은 전자, n형은 정공)가 표면에 모여 반전층(채널)이 된다	측정 주파수에 따라 다르다(아래)

축적은 기판의 다수 캐리어를 끌어당기는 극성의 게이트 전압에서 생긴다. 그래서 C-V 곡선에서 축적이 어느 쪽 전압에 있는지 보면 기판 형을 알 수 있다.

축적이 양(+) 전압 쪽, 반전이 음(-) 전압 쪽이면 n형 기판이다(양의 게이트가 전자를 끌어당긴다)
축적이 음(-) 전압 쪽, 반전이 양(+) 전압 쪽이면 p형 기판이다

저주파 C-V 와 고주파 C-V

반전층의 소수 캐리어는 기판에서 열적 생성으로 천천히 공급된다.

저주파로 커패시턴스를 재면 반전층 전하가 신호를 따라 늘고 줄어, 반전층이 극판처럼 동작한다. 커패시턴스가 다시 C_ox 로 올라간다
고주파로 재면 반전층 전하가 신호를 따라가지 못하고 공핍층 끝의 전하만 움직여, 커패시턴스가 공핍층이 가장 넓을 때의 최솟값에 머문다
축적과 공핍 영역에서는 다수 캐리어가 빠르게 응답하므로 저주파와 고주파 곡선이 같다

예: 가로축이 게이트 전압, 세로축이 커패시턴스인 그래프에서 + 쪽이 축적(높은 C), 0 근처가 공핍, - 쪽이 반전이고, 반전 영역에서 저주파 곡선은 다시 높아지고 고주파 곡선은 낮게 머문다면 n형 기판 MOS 커패시터의 특성이다.

pn 접합 커패시턴스와의 차이

다이오드(pn 접합)도 커패시터처럼 쓸 수 있지만 모양이 다르다.

역방향 바이어스에서는 공핍층만 커패시턴스를 만들고(접합 용량, 공핍 용량), 역전압이 클수록 공핍층이 넓어져 커패시턴스가 계속 줄어든다. 버랙터 다이오드가 이 성질을 쓴다
순방향 바이어스에서는 확산 용량이 커지지만 전류가 흘러 커패시터로 쓰기 어렵다
산화막이 없으므로 C_ox 같은 상한이 없고, 축적·반전 상태도 없어 저주파와 고주파로 곡선이 갈라지지 않는다. n⁺p·p⁺n 처럼 한쪽을 진하게 도핑한 접합은 공핍층이 옅은 쪽으로 넓어질 뿐 같은 모양이다

쓰임

MOSFET 문턱 전압·산화막 두께·계면 결함을 C-V 측정으로 평가한다
메모리 셀의 저장 커패시터, CCD 이미지 센서의 화소, 집적회로의 커패시터 소자로 쓴다

같이 보기