반도체 기초 - CMOS, Inverter, Ring oscillator

이전 글에서 MOSFET 의 동작 원리 및 발전 과정에 대해 알아보았습니다. 이번에는 실제 MOSFET 이 소자가 되는 과정에 대해 작성해 보았습니다.

2023.02.08 - [반도체지식] - 반도체 기초 - 트랜지스터, MOSFET

2023.02.11 - [반도체지식] - 반도체 기초 - FinFET, GAA, MBCFET, CFET, Forksheet

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1. NMOS, PMOS

MOSFET 은 2개의 종류로 이루어져 있습니다. 전자(electron, -)의 이동을 사용하는 NMOS, 정공(hole, +) 의 이동이 주인 PMOS 가 있는데, 왜 같은 MOSFET 인데도 서로 다른 종류가 있고, 이를 같이 사용하는걸까요? 그 이유로는 NMOS, PMOS 가 동일 전압에서 동작하는 방식이 다르기 때문입니다.

 

MOSFET 에 + 전압을 걸어주는 상황을 가정해 보겠습니다. NMOS 는 전자가 게이트 쪽으로 이동하기 때문에 채널이 형성되고 전류가 흐르기 시작합니다. PMOS 에서는 정공이 게이트 쪽에서 밀려나 전류가 더 통하지 않는 상태가 됩니다.

반대로 -전압을 걸어주면, NMOS 에서는 전류가 흐르지 않지만 PMOS 에서는 전류가 흐르는 상태가 됩니다.

즉 같은 전압에 대해 NMOS 와 PMOS의 on/off 가 서로 반대인 것입니다.

(MOSFET 은 Body 까지 포함하여 엄연한 4채널 소자이지만, 본 설명에서는 크게 도움이 되지 않기 때문에 생략하였습니다.)

 

서로 반대 작용을 하는 NMOS 와 PMOS 서로 어떻게 연결하느냐에 따라 다양한 역할을 하는 소자를 만들 수 있습니다. 두 종류의 MOS 를 붙여 만드는 소자를 CMOS 라고 합니다. NMOS 와 PMOS 가 상호 보완(complementary)을 해주기 때문에, CMOS(complementary metal–oxide–semiconductor) 라는 이름이 붙었습니다.

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2. 인버터(Inverter)

인버터는 CMOS 중 가장 간단한 구조를 가졌지만, 모든 소자의 기초가 된다고 해도 무방할 정도로 매우 중요합니다. 인버터란 On 을 입력하면 Off 를 결과로 주고, Off를 입력하면 On 을 결과로 주는 논리소자입니다. 입력과 출력을 반대로 뒤집어주는 역할을 합니다. NMOS 와 PMOS 의 게이트를 통해 입력값(Input)을 집어넣게 됩니다. 

Input	Output
On (1)	Off (0)
Off (0)	On (1)

입력값이 + 일 경우 NMOS 만 동작하게 되고, Ground 에 연결되어 있는 0V 가 output 으로 나오게 됩니다.

반대로, 입력값이 - 일 경우 PMOS 만 동작하게 되고, 동작전압인 VDD 에 연결되어 있는 +전압이 output 으로 나오게 됩니다. (일반적으로 5V)

이때 PMOS 는 입력 전압을 0에서 VDD 까지 끌어올려주는 역할을 하므로 Pull-up (PU) 라고 부르기도 합니다. 반대로 NMOS 는 입력 전압을 0까지 끌어내리는 역할을 하므로 Pull-down (PD) 이라고도 합니다.

 

회로를 그릴때, NMOS 와 PMOS 를 일일이 그려서 선으로 이어주는 대신에, 삼각형과 한 모서리에 동그라미가 달려있는 간단한 모양을 인버터로 축약해서 그리고 있습니다. 보통 회로도에서 동그라미는 반대 모양을 나타냅니다. 회로도에서 NMOS 와 다르게 PMOS 의 gate 부분에 동그라미가 그려져 있는 것도 그 이유입니다. 이렇게 간단한 모양으로 회로를 나타내는 것을 블록 다이어그램(block diagram) 이라고 합니다.

추가로 인버터 에서 N, PMOS의 순서를 바꾸면 어떻게 될까요? 그때는 입력과 출력이 같게 나오게 됩니다. 즉 논리소자는 아닙니다. 동작 전압인 VDD 를 크게 걸어주거나, PMOS 쪽에 음전압을 크게 걸어주면 input 전압에 비해 출력이 훨씬 커지는 결과를 얻을 수 있습니다. 결과를 증폭해 주는 증폭기(Amplifier) 의 소자 구조입니다.

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3. Ring oscillator

이번에는 인버터를 여러 개 이어서 붙인 구조를 생각해 보겠습니다. 한 인버터의 출력이, 다른 인버터의 입력으로 들어가고 그게 반복되는 구조입니다.

1. 제일 처음 인버터에 전압을 가해주면 0 이 출력으로 나오게 됩니다.

2. 0이 다음 인버터의 입력으로 들어가 고출력으로 나온 VDD 가 그다음 인버터로 다시 입력됩니다.

3. 출력된 VDD 가 다음 인버터의 입력으로 들어갑니다.

이런 과정이 반복되면서 전기 신호가 다음 인버터로 연속해서 들어가게 됩니다.

 

이때, 제일 마지막 인버터의 출력과 제일 처음 인버터의 입력을 서로 연결해 주면, 전기신호가 인버터의 링(Ring) 을 계속 돌아가게 됩니다. 그리고 그 전기신호는 VDD 와 0 을 계속 왔다 갔다 하며 진동(oscillation) 하게 됩니다. 그래서 이런 구조를 Ring oscillator 라고 부릅니다.

Ring oscillator 는 왜 사용하는 걸까요? 그 이유는, 반도체 칩의 성능을 확인하기 위해서입니다. 반도체 칩에서는 일초에 셀 수도 없을 만큼의 계산을 하고 있고, 많은 전기 신호가 칩 내부를 이동하고 있습니다. 모든 구조의 소자에 대해 성능을 평가하는 게 가장 좋습니다. 하지만 칩 하나에 약 수십억 개 이상의 트랜지스터가 있으며, 소자의 종류도 너무나 많고, 심지어는 공정 산포로 인해 개별 소자의 성능조차 어느 정도 산포가 있기 마련입니다.

 

그래서 대표적으로 위와 같은 구조를 만들어서 성능을 평가하게 됩니다. Input 대비 output 이 얼마나 뒤에 나오는지, 손실이 어느 정도 있는지 등등 여러 인자를 파악하게 됩니다. 한 인버터의 동작 속도가 약 수 ps 정도로 매우 빠르기 때문에 인버터를 백개 이상 연결 한 후, output 을 측정하게 됩니다.