[반도체소자] 2. Subthreshold swing

Subthreshold Swing

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MOSFET는 높은 On-current와 낮은 Off-current를 가질 때 높은 성능을 가집니다.

→ SS(Subthreshold swing)을 통해서 I_on/I_off 비율을 분석할 수 있습니다.

 

SS을 파악하기 위해서 우선 semi log scale transfer curve(log₁₀(I_d) - V_GS)가 필요합니다.

SS는 Drain current를 10배 증가시키기 위해서 변화시켜 주어야하는 Gate voltage를 의미합니다.

♭ SS값이 작을수록 작은 전압 변화에 대해서 전류 증가량이 높다

→ SS 값은 작을수록 좋다

♭ 상온에서 MOSFET의 SS값은 60mV/decade보다 작아질 수 없는 한계가 있다

→ 아래 수식 유도에 따르면 C_dep/C_ox 값이 0에 수렴하는 경우 60mV/decade의 최소값을 가진다.

 

SS 측정값이 60mV/decade 보다 작은 값을 가지는 경우

♭ 측정상의 오류

♭ 측정한 소자가 MOSFET의 메커니즘과 다른 경우 → MOSFET이 아니다!

 

높은 On-Current와 낮은 Off-current를 가지는 높은 성능을 가지는 Transistor를 제작하기 위해서는 SS값이 60mV/decade보다 작은 소자를 제작하는 것이 필요하다

♭ Nanoelectromechanical FETs

일정한 거리를 두고 있는 두 금속 형태의 FET

→ 전압 인가에 따라 두 금속이 접촉하는 경우 On 특성, 두 금속이 떨어지는 경우 Off 특성 : Steep slope

1) 전압 인가에 따라 Gate metal의 반복적인 굽힘으로 stress에 의한 피로 현상 발생 : 장기 안정성 문제

2) 산포 제어의 높은 난이도

 

♭ NCFETs

NCFETs는 Negative Capacitance FETs으로 Gate와 Gate oxdie 물질 사이에 Ferroelectric materials을 삽입하여 전압 인가에 따른 분극 특성을 이용하여 Negative Capacitance 효과 - C_ox < 0 : SS < 60mV/decade

1) Subthreshold 영역에서 분극이 빠르게 발생하지 않아 히스테리시스 발생 

♭ TTETs

MOSFET의 Drift, Diffusion mechanism이 아닌 Tunneling mechanism을 이용하는 FETs

 

<출처>

H. Kim, T. Liu, "Pull-In and Release Voltage Design for Nanoelectromechanical Field-Effect Transistors", IEEE, 56 (2009) 3072-3082.

Muhibul Haque Bhuyan, "A Review of Recent Research Works on Negatice Capacitance Field Effect Transistor", Science and Engineering, 13 (2019) 36-44.

Seungjun Moon et al, "Understanding of Polarization-Induced Threshold Voltage Shift in Ferroelectric-Gated Field Effect Transistor for Neuromorphic Applications", Eletronics, 9 (2020) 704.

 

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