full custom IC

IC

IC(Integrated Circuit)는 반도체로 구성된 전자회로의 집합 또는 초소형 구조의 복합적인 전자 소자를 의미한다. IC가 일반 트랜지스터를 사용한 전자회로보다 유리한 점을 하나 꼽자면, 각각의 트랜지스터를 연결한 전자회로는 크기가 큰 반면, IC는 아주 작은 수준에서 막대한 양의 소자들을 배치할 수 있음을 들 수 있다.

회로를 구성할 때 당신이 엔지니어라면 구성해야 할 사항은 크게 3가지로, 가격, 속도, 전력이다. 회로에 사용될 소자와 배치를 고려할 때 3가지 사항을 항상 고려하면서 엔지니어는 설계해야만 하는데, 당신이 IC를 설계할 때 가장 처음 고려해야할 사항은 바로 사용할 트랜지스터의 종류이다.

BJT(bipolaro junction transistor)와 FET(field effect transistor)의 가장 큰 차이점은 이름에서도 나타나듯이 바로 극성의 차이이다. BJT는 동작할 때 관여하는 캐리어가 hole, electron 둘 다 관여하는데, FET는 hole과 electron 둘 중 하나만 관여한다. 게다가 BJT는 아날로그 회로에서 전류를 증폭시키고 싶을 때 사용되므로 전류로 동작하며, FET는 전위의 차이, 즉 전압으로 작동하는 차이를 가진다.

현대 전자회로에는 BJT보다 FET가 더 많이 사용되는데, BJT가 전류 용량이 크고 반응속도가 빠르다는 장점이 있지만, FET가 더 광범위하게 쓰이는 이유는 정밀 기기에 필요한 정확도 향상에 기여하고, 제조 방법이 간편하여 IC칩에 더 저렴하게 사용이 가능하기 때문이다. FET는 입력 임피던스가 크면 잡음이 적게 발생하며 증폭 작업을 수행할 때 이 잡음도 같이 증폭되기 때문에 초기 잡음이 적은 FET가 더 유리하기 때문이다.

Full custom IC의 특징

여러가지 IC와 트랜지스터를 결합하여 하나의 전자회로를 구성하게 되지만, 타 설계자들이 생성한 라이브러리 내의 소자들을 가져와서 회로를 구성할 경우, 엔지니어가 특정한 기능을 위해 회로를 구성할 때 장애가 될 수 있는 부분이 있다. 이를 위해, 특수한 작동을 꾀하기 위해 FET 등의 기본 소자를 이용하여 라이브러리에 없는 새로운 1개의 IC로 회로를 구성할 수 있다. 이는 회로의 소형화와 엔지니어가 원하는 작동에 적합하지만, 커스텀이기 때문에 비용이 더 비싸며 모듈형으로 구성할 수 없다는 단점이 존재한다.

MOSFET?

MOSFET이란 metal oxide semiconductor FET의 줄임말이며, 도체-부도체-반도체 순으로 접합된 gate를 가지고 있다.

위 이미지에서 N형 MOS와 P형 MOS를 보면, 각각 운반자가 hole과 electron이고, 이 운반자들이 gate 방향에서의 전압에 의한 전계에 의하여 oxide, 부도체 쪽으로 집중되게 된다. 즉, MOS에서의 channel이 생성되어 운반자가 이동할 수 있게 된다.

또한 Source에도 전압을 가해서 한쪽의 high doping된 부분의 운반자가 밀려나게 해 반대쪽의 Drain 부분으로 운반자를 보내게 한다.

위 이미지는 3차원 형태의 MOSFET이다. Y방향의 넓이를 Width, W라고 하고, 초록색 metal과 노란색 oxide가 접합된 부분을 Length, L이라고 하면 channel이 생성되어야만 전류가 흐를 수 있으므로 L에 반비례하고, W가 넓을수록 부도체에 맞닿은 부분이 커 전계가 작용하는 부분이 늘어나므로 전류와 비례한다.

중요한 점은, W/L에서 W만을 조정하여 NMOS와 PMOS의 베타값을 찾는데 이유는 Length는 우리가 흔히 부르는 Xnm 공정의 Xnm 길이기 때문에 작으면 작을수록 경제적이고 훨씬 동일면적당 성능을 발휘하기 쉽기 때문이다. 예를 들어, 좋은 자동차를 샀을 때 속도제한이 없는 아우토반 같은 고속도로에서 나 혼자 주행하고 있다고 가정하자. 이럴 경우, 자동차의 최대속도가 200km일 때 100km로 달릴 필요는 없지 않겠는가. 따라서 최대 효율을 위해 L값은 최소값으로 두고 W값만 조절하는 것이다.

*베타값 : PMOS와 NMOS간 흐르는 전류의 평형을 맞추기 위한 값. mosfet의 Width를 조절하여 조정한다.

MOSFET의 기호

MOSFET를 처음 접하면 무엇이 PMOS인지 NMOS인지 헷갈리는 경우가 있다. 이 경우엔 Gate에서 나가는 화살표가 존재하거나 Base에서 들어오는 화살표가 있을 때는 NMOS, 반대는 PMOS로 생각하면 된다.

공핍형 MOSFET은 위에서 언급했듯이 channel이 항시 존재한다.

그러나 증가형 MOSFET은 위에서 언급했듯이 channel이 항시 존재하는 것이 아니기 때문에 양측의 전위차가 없을 경우, 전류가 흐르지 않는다.