#10 MOS Capacitor (2) - MOS C-V (Capacitance-Voltage) 특성

1. MOS C-V (Capacitance-Voltage) 특성

MOS C-V 특성은 성능을 측정하기 위해 전압을 달리하여 그 변화를 확인하는 방법이다.

1.1.  Accumulation 영역

• 게이트 전압이 충분히 낮을 때 다수 캐리어들이 반도체 표면에 축적된다.
• 전하량은 축적된 전하의 양에 따라 변한다. Gate 전압에 비례한다.
• 전기 용량 Cox​는 산화막 두께가 변하지 않기 때문에 일정하게 유지된다.

1.2. Depletion 영역

• 게이트 전압이 증가하면서 반도체 표면의 다수 캐리어가 밀려나고, 고갈층(Depletion region)이 형성된다.
• 전하량의 범위가 변화하는 이유: 고갈된 영역이 커지면서 전하량이 줄어들기 때문이다.
• 전기 용량은 고갈층의 두께에 비례하므로, C_dep (Depletion region에 해당하는 용량)가 병렬 연결된 형태로 생각할 수 있다.

1.3. Inversion 영역

Inversion 영역은 소수 캐리어들이 반응하는 영역이다. 반응 결과는 항상 가해지는 전압에 비례한 전하량이 나와야 한다. 즉, 가해주는 전압의 크기가 변하는 정도에 따라 내부에서 상황이 바뀐다.

1.3.1. Low Frequency에서 소수 캐리어들의 반응

1. 신호 주기가 길어져 소수 캐리어들이 신호 변화에 충분히 반응할 시간이 주어진다.
2. 소수 캐리어들이 반응하여 반전층을 형성할 수 있으며, 전기 용량은 일정하게 유지된다.
3. 신호가 느리게 변하는 저주파에서는 소수 캐리어들이 충분히 반응할 시간이 있기 때문에 전기 용량이 유지된다.

1.3.2. High Frequency에서 소수 캐리어들의 반응

1. High Frequency에서는 신호가 빠르게 변하기 때문에 소수 캐리어들이 신속하게 반응하기 어렵다. 반전층을 형성하는 데 필요한 전하량이 부족해진다.
2. Depletion region에 있는 전하량까지 전기 용량에 기여하게 된다. 이는 고주파에서 전기 용량이 감소하는 이유
3. 반전층을 형성하는 데 필요한 전하를 공급하기 위해 Depletion region의 전하들도 전기 용량에 영향을 미친다. 그 결과 전기 용량이 줄어든다.

1.4. Quasi-static C-V

Quasi-static C-V는 DC 전압을 천천히 증가시키면서 C-V 특성을 측정하는 방법이다. 이때 전압을 천천히 올리면 저주파처럼 소수 캐리어들이 반응할 시간이 충분히 주어지고, 빠르게 올리면 고주파처럼 전하들이 제대로 반응하지 못하여 전기 용량이 줄어든다.

1.4.1. Deep Depletion

Deep Depletion은 DC 전압을 너무 빠르게 증가시키면 반도체 내 소수 캐리어들이 신속하게 반응하지 못하는 현상이다.

 

이 경우 deplition region이 매우 두꺼워지고, 전기 용량이 더 이상 정상적으로 측정되지 않거나 전기 용량이 더 낮게 측정되는 현상이 발생한다. 이는 반도체가 deep depletion 상태에 빠지기 때문이다.