[ Nandflash ] 03. 문턱전압(Threshold Voltage)

Threshold Voltage(문턱전압)

• 문턱전압은 Threshold Voltage(Vth)라는 단어를 그대로 직역한 용어이다. 디램(D-RAM), 낸드 플래시(NAND Flash) 등의 메모리 반도체부터 시스템 집적 반도체(Sytem IC) 같은 비메모리 반도체, 또는 미래의 어떤 능동소자 까지 모든 반도체에서 공통적으로 사용되는 개념이다.
• 방과 방사이를 구분하는 문턱(Threshold)처럼, 문턱전압은 전류의 흐름이 변하는 전압의 임계점을 말한다.

여기서는 MOSFET을 동작하게 만드는 문턱 전압의 속성에 대해 알아보겠다.

#========================================== 전류가 흐르는 MOSFET 강의 수위를 조절하는 댐, 문턱전압 ===========================================

저항의 입장에서 본 문턱전압은, MOSFET 상에서 전류가 흐르지 않던 상태가 전류가 흐르는 상태로 반전되는 시점의 전위장벽인 전압이다.

전류가 흐르기 시작하면 문턱전압으로 인한 저항치는 급격히 감소한다.

한강의 댐을 예로 들어보면, 댐의 상단까지 물이 차지 않으면, 댐 반대쪽으로는 물이 흐르지 않는다. 하지만 저장된 물의 높이가 댐보다 높아지면, 물이 흘러 넘쳐 반대쪽으로 흐르게 된다. 전류가 물이라면 댐의 상단높이가 문턱전압(Vth)인 셈이다.

문턱전압은 기판(Substrate) 내의 Oxide 쪽 p_type Sub에 있는 다수의 캐리어와는 반대 타입(Type)의 밀도가 매우 높은 전자 층이 드레인(Drain) 단자와 닿도록(Pinch-on) 하는데 필요한 게이트 전압과 같다. 즉, 소스(Source) 단자에서 드레인 단자로 전류가 흐르기 위한 이동성 전자가 충분히 쌓여서 전류가 잘 흐르는 도전성 채널이 생성되는 시점에 인가하는 게이트 전압이다.

문턱전압을 넘기전에는 트랜지스터의 입력단 저항과 출력단 저항의 크기가 거의 동등하게 높은데, 문턱을 넘어서면 출력단 저항이 급격히 낮아져 전류가 쉽게 흐르게 된다.

트랜지스터(Transistor)는 Trans(전하다) + Resistor(저항)의 합성어이다. 저항을 입력단에서 출력단으로 전달(Transfer)하며 저항값을 낮춘다는 뜻이다. 즉, 입력단과 출력단의 저항 차이를 조절해 적정량의 드레인 저류를 흐르게 할 수 있다는 말이다.

#================================================= 트랜지스터의 ON/OFF도 문턱전압 하기 나름 =================================================

nMOSFET에서의 문턱전압은 전류가 소스단자에서 드레인단자로 본격적으로 흐르는 시점의 게이트에 바이어스된 전압이다. 게이트 전압이 문턱전압보다 크면 트랜지스터가 켜지고(ON), 문턱전압보다 낮으면 꺼지게(OFF) 된다.

트랜지스터가 꺼지면, 전류가 흐르지 않는다. 트랜지스터가 켜지면 저항이 매우 낮은 전도(Conduction) 물질에 충분한 전류가 흐르게 된다. 트랜지스터가 켜졌을 때, 드레인 전류가 흐를 수 있는 주변 여건을 보면, 먼저 전류가 이동할 수 있는 채널이 만들어진다. 그리고 전자를 끌어당기는 드레인 전압인 +Vd가 인가되어, 소스 전압이 주변보다 낮게 형성된다.

트랜지스터가 포화영역으로 들어가기 전까지는, 출력단의 저항값이 낮아질수록 드레인전류가 급격히 상승한다. 그 경사도가 가파를수록, 활성영역에서 드레인 전압(Vds)을 인가하는 영역이 줄어들어, 트랜지스터의 ON/OFF 전환이 원활해진다.

전달 특성에서 문턱전압이 낮을수록, 출력특성에서 드레인전류(ld) - 드레인전압(Vd) 기울기가 급경사일수록, ON/OFF 전환이 빨라지는 이상적인 트랜지스터가 된다.

비행기를 예로 들면, 문턱전압의 크기는 이륙거리이고, 드레인전류의 기울기는 이륙 후의 상승 기울기이다. 이륙거리가 짧을수록, 이륙 후의 상승 기울기가 가파를수록 비행기는 빨리 하늘을 날것이다. 그리고 비행기가 궤도에 오르면 안정적인 항공상태에 접어드는 것처럼, 게이트 전압이 문턱전압을 넘어서 드레인 전류가 충분히 증가한 후의 포화영역을 Tr-ON 상태라고 한다.

#======================================= MOSFET 정보처리의 핵심은 게이트 전압, 그 중 제일은 문턱 전압 ========================================

채널은 눈에 보이지도 않고 직접 통제할 수단도 없다. 게다가 트랜지스터에 전류가 흐르게 하거나, 흐르지 않게 하기 위해서는, 채널의 Pinch-on/off 상태를 외부전압으로 관리해야 한다.

채널 상태를 유추할 수 있는 외부 측정 인자는 게이트전압, 드레인전압, 그리고 드레인전류 뿐이다.

드레인 전류는 게이트 전압과 드레인 전압 및 트랜지스터의 형태적, 물리적 요소에 따라 계속 변한다. 가변요소가 너무많은 셈. 그렇지만 트랜지스터의 ON 상태를 나타내는 포화영역(Tr-ON 상태)일 때, 드레인 전류는 드레인전압에 의존하지 않고, 게이트 전압의 영향을 크게 받는다. 즉, 이 때는 게이트 전압이 채널의 형태와 직접적인 함수 관계에 놓이게 된다. 때문에 게이트 전압으로 채널을 유추하면, 자연히 드레인 전류의 상태를 알 수 있고, 최종적으로 트랜지스터의 ON/OFF 상태를 결정할 수 있다.

결국, 트랜지스터에 정보를 담으려면, 트랜지스터의 ON/OFF 상태를 알야 한다. 때문에 트랜지스터의 ON/OFF 상태를 알 수 있는 게이트전압이 정보를 처리하기 위한 MOSFET의 핵심요소가 된다.

그 중에서도 특히 드레인 전류가 시작되는 문턱전압은 가장 중요한 파라미터이다. 단, 활성영역은 트랜지스터의 ON/OFF가 혼재되어 있지만, 여기서는 ON상태로 전제했다.