MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)을 제대로 이해하기 위해서는 반드시 MOS capacitor(MOSCAP)을 먼저 이해해야 합니다. 그리고 MOSCAP을 이해하기 위해서는 그보다 앞서 capacitor란 무엇인지부터 다시 생각해볼 필요가 있습니다.
많은 사람들이 capacitor를 다음과 같이 배웁니다.
“두 개의 금속판 사이에 절연체(유전체)를 넣은 소자”
틀린 설명은 아닙니다.
하지만 이 정의만으로는 MOSCAP을 이해하기는 어렵습니다.
왜냐하면 MOSCAP을 구성하는 MOS 구조에서는 한쪽은 금속(metal 또는 고농도 도핑된 폴리실리콘)이지만 다른 한쪽은 단순한 금속판이 아니라 반도체(semiconductor)이며, 전압에 따라 양단의 전하 분포가 계속 변하기 때문입니다.
그렇다면 왜 MOSCAP도 capacitor라고 부르는 것일까요?
이 질문에 답하기 위해서는 capacitor를 조금 더 본질적인 관점에서 바라볼 필요가 있습니다.
Capacitor는 구조가 아니라 동작으로 정의된다
capacitor의 본질은 두 장의 판이 아닙니다.
그보다 더 중요한 것은 전압이 변할 때 그에 따라 양단의 전하량이 변한다는 것입니다.
어떤 구조에 작은 전압 변화 dV를 가했을 때 저장된 전하가 dQ만큼 변한다면,
그 구조의 capacitance는
로 정의됩니다.
즉,
Capacitor란 전압의 변화에 따라 저장되는 전하의 양이 변화하는 관계를 갖는 구조입니다.
그리고 capacitor란 capacitance라는 정량적인 물리량이 측정 가능한 구조입니다.
왜 금속판 두 장이 capacitor가 될 수 있는가?
이제 평행판 구조의 capacitor를 다시 생각해보겠습니다.
두 개의 금속판 사이에 절연체가 존재한다면, 한쪽 판에 양의 전하를 공급하는 순간,
반대쪽 판에서는 동일한 양의 음의 전하가 모입니다.
전압을 조금 더 높이면 더 많은 전하들이 양쪽 판들에 모여들고,
전압을 조금 낮추면 양쪽 판에 모여드는 양의 전하와 음의 전하의 양들도 감소하겠지요.
즉, 전압 변화에 따른 전하량의 변화가 이루어지므로 평행 금속판 구조는 capacitor라고
부를 수 있는 것입니다. 중요한 것은 금속판 두 장이라는 “모양”이 아니라,
전압과 전하가 서로 연동되어 변화한다는 사실입니다.
전하의 저장과 capacitor
흔히 capacitor는 전하를 저장할 수 있는 소자라고 설명을 합니다.
그리고 capacitance는 전기 용량이라고 해석하는 것을 볼 때 얼마나 많이 저장할 수 있는지를 판단하는 수치로 이해될 수 있습니다.
그런데 여기서의 저장은 고정적인 저장이 아니라 조건이 갖춰진 상태에서의 순간적인 저장이라는 점을 이해해야 합니다.
capacitance의 정의를 보면 전압의 변화에 대한 전하량의 변화이지요?
그렇기 때문에 capacitance가 큰 capacitor는 전하를 정적으로 많이 저장할 수 있는 소자가 아니라 동적으로 큰 전하량의 변화가 이루어질 수 있는 소자를 의미합니다.
이 과정에서 주어진 전압 조건 하에서 양단에 전하들이 배치되는 상황이 흔히 말하는 전하의 저장인 것이고, 또한 절연 영역을 가운데 두고 분포되어 있는 반대 부호의 전하들 간에 전기장이 형성되는 상태가 곧 전기 에너지를 저장하는 상태인 것이지요.
예를 하나 들어보겠습니다. 절연 물질을 가운데 두어 직류 전류가 흐르지는 못하는 구조의 소자가 두 개 있습니다. A 소자의 내부에는 1,000개의 전하가 저장되어 있고, B 소자의 내부에는 10,000개의 전하가 저장되어 있어요. 여기서 저장이라는 것은 고정적으로 존재하고 있다는 의미예요.
그런데 양단에 같은 진폭의 전압 변화를 주었더니 소자 A에는 100개의 전하들이 출입을 하고, 소자 B에서는 10개의 전하들이 출입을 한다면 소자 A와 B 중 어느 것이 capacitance가 더 큰 capacitor일까요?
답은 소자 A입니다.
많은 이들이 처음에는 B가 더 많은 전하를 “가지고” 있으므로 capacitance가 더 크다고 생각할 수 있습니다. 그러나 그것은 정답이 아닙니다. capacitance를 결정하는 것은 고정적으로 저장되어 있는(박혀 있는) 전하의 양이 아니라, 전압 변화에 대해 얼마나 많은 전하들이 출입하는가이거든요. 따라서, A의 capacitance가 더 큰 이유는 정적인 고정 전하량은 작다 하더라도 전압 변화에 대하여 이루어지는 동적 전하량 변화는 더 크기 때문입니다.
이처럼 capacitance의 크기를 정의하거나 얼마나 많은 전하량을 저장할 수 있는지는 정적으로 정의되는 것이 아니라 동적으로 정의되는 개념입니다.
이 내용들을 잘 이해해두시기 바랍니다. MOSCAP을 이해하는 데 반드시 필요한 내용입니다.
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