소자 물리 놀이터 — 반도체 실험실

도핑과 전압을 만지면 전하가 움직인다

pn 접합에서 MOSFET까지. 도핑 농도와 인가 전압을 바꾸면 공핍층·반전층과 특성 곡선이 실시간으로 변합니다. 제작이 아니라 원리를 손으로 익히는 놀이터.

학습 목표

pn 접합이 왜 한 방향으로만 전류를 흘리는지 설명할 수 있다.
MOSFET이 전압으로 켜지는 스위치임을 설명할 수 있다.
도핑·산화막을 바꾸면 소자 특성이 어떻게 변하는지 예측할 수 있다.

🧪 도핑 농도

p형 억셉터 N_A10 cm⁻³

정공(hole)을 만드는 억셉터. 농도가 높을수록 공핍층이 얇아진다.

n형 도너 N_D10 cm⁻³

전자(electron)를 만드는 도너. 양쪽 도핑이 높으면 항복전압이 낮아진다.

🔋 바이어스

인가 전압 V V

＋는 순방향(공핍층↓·도통), −는 역방향(공핍층↑·차단). 실리콘 다이오드는 약 0.7V에서 켜진다(게르마늄은 ~0.3V). 재료의 밴드갭이 정한 값.

🌡 온도

소자 온도 T K

온도가 오르면 열로 캐리어가 늘어 역포화전류 I_S가 급증한다.

🎚 단자 전압

게이트 전압 V_GS V

V_GS가 문턱전압 V_th를 넘으면 채널(반전층)이 생긴다.

드레인 전압 V_DS V

V_DS가 과구동(V_GS−V_th)을 넘으면 채널이 조여져 포화된다.

🏗 소자 구조

산화막 두께 t_ox nm

두꺼울수록 게이트 정전용량 C_ox이 줄어 V_th가 높아진다.

이 산화막은 팹의 산화 단계에서 만든다 → 팹 공정

바디 도핑 N_A10 cm⁻³

기판 도핑이 높을수록 반전에 더 큰 전압이 필요해 V_th가 오른다.

채널 종횡비 W/L

채널이 넓고 짧을수록(W/L↑) 같은 전압에서 전류 I_D가 커진다.

—

정공 (hole, +)

전자 (electron, −)

공핍층 (depletion)

전자 (electron)

반전층 채널 (inversion layer)

p형 바디

이 스위치가 회로의 게이트가 된다 → 회로 빌더

동작 영역

—

공핍층 폭 W

—nm

내부 전위 V_bi

—V

동작 전류 I

—

항복 전압 V_BR

—V

동작 영역

—

문턱전압 V_th

—V

과구동 V_OV

—V

드레인 전류 I_D

—mA

게이트 용량 C_ox

—fF/µm²

💡

다이오드 I-V 특성

개념 체크

세 문제를 풀면 이 랩을 이해한 것. 정답을 고르면 해설이 열린다.

1. pn 접합에 역방향 전압을 걸면?

역방향은 공핍층을 넓혀 캐리어 이동을 막는다. 그래서 한 방향으로만 흐른다.

2. 산화막을 두껍게 하면 문턱전압 V_th는?

산화막이 두꺼우면 게이트가 채널을 부르는 힘이 약해져 더 큰 전압이 필요하다.

3. 온도를 올리면 다이오드는?

열이 캐리어를 늘려 역포화전류가 커지고 무릎 전압이 낮아진다.