게이트를 꺼두었는데, 드레인이 왜 전류를 늘릴까

천의 한쪽을 잡았다고 가운데를 혼자 지배하지는 못한다

얇은 천의 여러 곳을 사람들이 잡고 있다고 생각해보자. 내 손을 그대로 두어도 반대쪽 사람이 당기면 가운데 모양이 달라진다. 짧은 트랜지스터의 채널도 여러 단자의 전기적 영향을 동시에 받는다. 게이트가 제어하려는 곳에 드레인의 영향까지 커지는 것이 문제다.

NMOS가 꺼져 있을 때 소스의 전자가 채널로 들어가려면 에너지 장벽을 넘어야 한다. 게이트 전압을 높이면 이 장벽이 낮아져 전류가 늘어난다. 그런데 채널이 짧아지면 드레인 전압도 소스에서 채널로 들어가는 장벽에 영향을 준다. 게이트를 움직이지 않았는데도 전자가 더 쉽게 들어오는 것이다.

이를 드레인 유도 장벽 낮아짐, DIBL이라고 한다. 길이가 줄었다는 사실 자체보다, 게이트와 드레인 중 누가 장벽을 얼마나 강하게 제어하는지가 핵심이다. MIT의 짧은 채널 정전기학과 DIBL 강의

문턱전압이 드레인 전압에 따라 움직인다

소스와 몸체 전압을 고정하고 작은 전압 변화만 살펴보자. 장벽 부근의 정전기적 전위 ψb는 단순화한 결합 모델에서 다음처럼 표현할 수 있다.

Δψb ≈ αG ΔVG + αD ΔVD

VG와 VD는 게이트와 드레인 전압이며, αG와 αD는 해당 동작점에서 각 단자가 장벽 부근에 미치는 영향을 나타내는 무차원 계수다. 전자의 에너지는 정전기적 전위가 높아지면 낮아진다. 그래서 드레인이 ψb를 올리는 효과도 전자의 장벽을 낮추는 방향으로 작용한다. 이것은 직관을 위한 국소 선형 근사이며, 계수는 소자 구조와 바이어스에 따라 달라진다. Hu 교재의 게이트·드레인 결합 모형

같은 작은 전류가 흐르는 게이트 전압을 문턱의 기준으로 삼으면, 높은 드레인 전압에서는 더 낮은 게이트 전압으로 그 전류에 도달할 수 있다. DIBL은 흔히 다음처럼 양의 값으로 보고한다.

DIBL = [VTH(VDS,low) − VTH(VDS,high)] / (VDS,high − VDS,low)

VDS는 드레인-소스 전압이다. 예를 들어 두 시험 전압의 차이가 1 V이고 추출한 문턱전압이 50 mV 낮아졌다면 DIBL은 50 mV/V다. 가상의 계산 예시다. 비교할 때는 같은 문턱 추출 기준, 온도, 몸체 전압을 쓰고 측정한 드레인 전압 구간도 함께 밝혀야 한다. MIT의 DIBL 정량화

더 짧게 만들려면, 옆뿐 아니라 위아래도 바꿔야 한다

게이트 길이만 줄이고 나머지 구조를 그대로 두면 드레인의 전기적 영향이 상대적으로 커질 수 있다. 게이트 절연막의 전기적 두께, 반도체 몸체 두께, 소스·드레인 접합의 깊이까지 함께 설계해야 하는 이유다.

게이트가 채널에 더 강하게 결합하고, 채널의 모든 부분이 게이트 가까이에 있도록 만들면 드레인의 간섭을 줄이는 데 도움이 된다. FinFET이나 게이트가 채널을 둘러싸는 GAA 구조는 이런 정전기적 제어를 개선하는 방법이다. 단지 전류가 흐르는 표면적을 늘리기 위한 모양은 아니다. Intel의 GAA 구조 설명

여기에도 대가가 있다. 절연막을 물리적으로 너무 얇게 만들면 게이트 터널링 누설이 커질 수 있다. 얇은 반도체 구조에서는 소스·드레인 저항과 접촉도 중요해진다. 유전율이 높은 절연막이나 입체 구조로 제어를 개선하더라도, 치수 변동과 계면 품질까지 같이 관리해야 한다. ‘작을수록 무조건 빠르다’는 한 줄로 소자 축소를 설명할 수 없다.

문턱이 바뀌는 현상을 모두 같은 이름으로 부르면 안 된다

바디 효과는 소스에 대한 몸체 전압을 바꾸었을 때 문턱이 달라지는 현상이다. DIBL은 몸체 전압을 고정해도 드레인 전압의 영향으로 장벽이 낮아지는 현상이다. 둘 다 문턱전압 변화로 보일 수 있지만, 바꾸는 단자와 정전기적 원인이 다르다.

문턱 아래 기울기는 고정한 드레인 조건에서 게이트 전압을 바꿀 때 전류가 얼마나 가파르게 변하는지를 나타낸다. DIBL은 서로 다른 드레인 전압에서 특성 곡선이 얼마나 옮겨지는지를 본다. 기울기가 좋다는 사실만으로 DIBL도 작다고 결론 내릴 수 없다.

또한 켜진 소자의 유효 채널 길이가 줄어 전류가 증가하는 채널 길이 변조와도 구분해야 한다. 실제 소자에서는 이 효과들이 함께 나타날 수 있다. 꺼진 전류를 잘 제어하려면 ‘누설이 얼마인가’와 함께, 어느 단자의 어떤 전압이 장벽을 흔드는지 확인해야 한다.