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title: "칩의 전압은 왜 마음대로 낮출 수 없을까"
author: "브레이브브라우저쓰자"
published_at: "2026-10-01T03:00:00.805Z"
updated_at: "2026-09-30T05:37:11.030Z"
tags: ["반도체","반도체 이론","공학","기술 해설","칩 공장"]
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# 칩의 전압은 왜 마음대로 낮출 수 없을까

[원문](https://ariser.io/@writer_a9817d5a8de0/%EC%B9%A9%EC%9D%98-%EC%A0%84%EC%95%95%EC%9D%80-%EC%99%9C-%EB%A7%88%EC%9D%8C%EB%8C%80%EB%A1%9C-%EB%82%AE%EC%B6%9C-%EC%88%98-%EC%97%86%EC%9D%84%EA%B9%8C)

## 전등 스위치처럼 딱 끊기지 않는다

수도꼭지를 잠갔는데 물이 조금씩 샌다고 생각해보자. 수압을 낮추면 물 사용량은 줄겠지만, 필요할 때 충분한 물을 공급하기도 어려워진다. 반도체의 전압을 낮추는 문제에도 비슷한 줄다리기가 있다. 켜졌을 때는 충분한 전류가 필요하고, 꺼졌을 때는 전류가 거의 흐르지 않아야 한다.

MOSFET은 게이트 전압으로 전류가 지나갈 에너지 장벽을 조절한다. 문턱전압 아래라고 전류가 갑자기 0이 되지는 않는다. 열에너지가 충분한 전자 일부가 장벽을 넘어간다. 이 영역을 서브스레숄드, 또는 문턱 아래 영역이라고 부른다. MIT의 Clifton Fonstad 강의도 이상적인 회로 모델의 ‘꺼짐’과 실제 작은 확산 전류를 구분한다. [MIT 강의, 10~11쪽](https://ocw.mit.edu/courses/6-012-microelectronic-devices-and-circuits-fall-2009/282ca336565ffdd1aeda1c212c3b0696_MIT6_012F09_lec12.pdf#page=10)

## 전류를 열 배 바꾸는 데 드는 전압

장벽을 조금 낮추면 통과할 수 있는 전자가 지수적으로 늘어난다. 여기서 스위치의 날카로움을 재는 숫자가 서브스레숄드 스윙 S다.

```text
S = dV_GS / d(log₁₀ I_D) ≈ n·ln(10)·kT/q
```

V_GS는 게이트와 소스 사이 전압, I_D는 드레인 전류다. k는 볼츠만 상수, T는 절대온도, q는 기본 전하량이며, n은 게이트가 장벽을 얼마나 잘 제어하는지 나타내는 계수다. S가 작을수록 전류를 열 배 바꾸는 데 필요한 전압이 작다. 단위의 dec는 ‘10년’이 아니라 전류 열 배의 변화다.

통상적인 열적 장벽 넘기 방식의 MOSFET에서, 게이트 제어가 이상적이어서 n이 1에 가까우면 300K, 약 27℃에서 S는 약 60mV/dec가 된다. 문턱 아래에서 같은 기울기가 유지된다고 가정해 전류를 백만 배 바꾸려면 여섯 번의 열 배 변화, 약 360mV의 게이트 전압 변화가 필요하다. 이는 기울기를 읽는 계산 예다. 모든 칩의 최소 공급전압이 0.36V라는 뜻은 아니다. [MIT 강의, 서브스레숄드 모델](https://ocw.mit.edu/courses/6-012-microelectronic-devices-and-circuits-fall-2009/282ca336565ffdd1aeda1c212c3b0696_MIT6_012F09_lec12.pdf)

## 절연막을 얇게 만드는 데도 대가가 있다

게이트에 건 전압이 장벽 제어에 전부 쓰이지 않으면 S는 더 커진다. 단순한 장채널 벌크 MOSFET 모델에서는 다음처럼 이해할 수 있다.

```text
n ≈ 1 + C_dep/C_ox
```

C_dep는 반도체 공핍층의, C_ox는 게이트 절연막의 단위면적당 정전용량이다. 두 정전용량에 전압이 나뉘는 효과가 게이트의 제어력을 약하게 만든다. 이 식은 단순화한 모델이며, 짧은 채널의 효과와 계면 결함까지 모두 담은 설계식은 아니다.

C_ox를 키우려고 절연막을 얇게 하면 제어력은 좋아지지만, 지나치게 얇아진 막을 전자가 터널링해 새는 문제가 커진다. 유전율이 큰 재료는 전기적으로 얇은 효과를 얻으면서 물리적 두께를 확보하는 해법이다. 여러 면에서 채널을 둘러싸는 게이트도 제어력을 높인다. 공정의 발전은 이런 누설과 제어의 균형을 바꾸는 작업이다. [Chenming Hu, 7장, 6·15~17·30쪽](https://www.chu.berkeley.edu/wp-content/uploads/2020/01/Chenming-Hu-ch7-slides.ppt-Compatibility-Mode-Repaired.pdf#page=6)

## 60mV는 만능의 금지선이 아니다

전압을 낮추면 회로가 충전하고 방전하는 데 드는 에너지를 줄일 수 있다. 하지만 문턱전압을 그대로 두면 켜진 소자가 공급할 전류가 줄어 속도를 확보하기 어려워진다. 이를 만회하려고 문턱전압까지 낮추면 꺼졌을 때 새는 전류가 늘기 쉽다. 그래서 빠르게 동작해야 하는 부분과 대기 전력을 아껴야 하는 부분에 서로 다른 문턱전압의 소자를 쓰기도 한다. [Hu, 7장, 23~24쪽](https://www.chu.berkeley.edu/wp-content/uploads/2020/01/Chenming-Hu-ch7-slides.ppt-Compatibility-Mode-Repaired.pdf#page=23)

60mV/dec는 공급전압이나 문턱전압 자체가 아니다. 또한 온도와 운반 원리에 조건이 붙은 값이지 모든 종류의 스위치에 적용되는 절대 숫자도 아니다. 실제 칩은 필요한 속도, 누설, 잡음에 대한 여유, 제조 편차까지 함께 맞춰야 한다. 전압 설정은 숫자를 작게 적는 일이 아니라, ‘잘 켜지면서도 잘 꺼지는 범위’를 찾는 일이다.