Body Effect, Body Bias

MOSFET 트랜지스터는 단자는 4개이다.

캐리어를 공급하는 Source (1), 캐리어를 높은 전계를 당기는 Drain (2), 캐리어가 이동하는 채널을 만들 수 있도록 스위칭 역할을 하는 Gate(3), 3가지 외에 Body 또는 Bulk (4)라고 부르는 단자가 있다.

MOSFET Transistor 의 4가지 단자

 

Body는 채널을 안정적으로 유지하기 위해서, 채널이 형성되는 영역에 전압을 걸어준다.

정상적인 동작의 경우,

N-type MOSFET의 Body는 0V, 혹은 VSS로 Source, 즉 낮은 전압을 연결하고

P-type MOSFET의 Body는 VDD로 Drain, 즉 높은 전압과 연결하게 된다.

이렇게 이 Body에 인가하는 전압을 변화시키면, 소자의 전기적인 파라미터 특성을 바꿀 수 있는데, 필요한 경우 Body의 전압을 높여 소자의 문턱전압을 낮출 수 있다. 이런 효과를 이용하면 높은 Speed와 낮은 동작전압이 필요한 회로에 적용할 수 있다.

Drain과 Source의 전압을 0V,

Gate의 전압은 0V 보다 크고 문턱전압보다 낮은 전압을 인가했을 때, (VDS = 0V, 0V < VG <Vth)

 

Gate 하부의 채널은 Depletion 상태에서,

1) Body 전압을 0V 보다 낮게 인가하면, PN 접합의 Reverse Bias에 의해 공핍층이 증가한다. (즉, Vth가 증가한다.)

2) Body 전압을 0V 보다 높게 인가하면, PN 접합의 Forward Bias에 의해 공핍층이 감소한다. (즉, Vth가 감소한다.)

채널 Inversion을 만들기 위해서는 공핍층을 밀어내고 소수 캐리어를 모아야 하므로 공핍층이 두꺼우면 높은 Gate 전압이 필요하여 Vth가 높아지고, 반대로 공핍층이 얇다면 낮은 전압으로 쉽게 소수 캐리어를 모을 수 있어 Vth가 낮아지게 된다.

 

예를 들어,

N-type의 원래 Vth가 0.7V 라고 했을 때

먼저 Body에 (-) 전압을 인가하면, Body의 전압이 Source의 전압보다 낮아지고, 다수 캐리어 정공들이 Body로 이동하여 채널 하부의 공핍층이 증가하는데, Substrate의 전계는 Gate 전계에 반대로 작용하기 때문에 Gate에서 채널 하부로 소수 캐리어인 전자들을 모으기 위해서 더 높은 Gate 전압이 필요하다. (Vth > 0.7V)

 

반대로,

Body에 (+) 전압을 인가하면 공핍층은 감소하고, 공핍층을 밀어내기 쉽게 소수 캐리어를 모을 수 있어 Vth이 낮아지게 된다. (Vth < 0.7V)

 

[Body Bias 전압 변화에 대한 문턱 전압의 변화]는 다음의 공식으로 정리된다.

 

위의 공식에서 Body 전압이 증가하면 VSB는 VS(0V)와 VB(증가)의 전압 차이로서 그 차이가 마이너스 이므로 문턱전압이 낮아지게 되는 것을 알 수 있다.