KR102506201B1 - 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터 및 이를 이용한 온도 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터 및 이를 이용한 온도 센서에 관한 것으로서, 기판 상에 형성되며, 정공 배리어 물질을 포함하는 정공 배리어 물질층, 상기 정공 배리어 물질층 상에 형성되는 부유 바디층(floating body), 상기 부유 바디층의 양측에 형성되는 소스 및 드레인, 상기 부유 바디층 상에 형성되는 게이트 절연막 및 상기 게이트 절연막 상에 형성되는 게이트를 포함하며, 상기 부유 바디층에 저장되는 전하의 양이 임계치 이상이 되면, 상기 소스 및 상기 드레인에서 스파이크 형태의 전압 신호를 방출하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터 및 이를 이용한 온도 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 트랜지스터 내에 전하를 저장하고 방출하여 오실레이터 동작을 구현하며, 온도가 증가함에 따라 오실레이터의 발진 주파수(oscillation frequency)가 증가하는 현상을 이용한 온도 센서에 관한 것이다.
무선통신의 발전과 데이터 처리 속도의 개선에 따라, 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 사물인터넷은 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여, 사물들간의 네트워크를 형성하고 데이터를 공유하는 것을 기본으로 한다. 이러한 데이터를 수집 및 분석하여 다양한 서비스에 응용하는 것으로, 일상생활부터 산업현장까지 폭넓게 사용될 수 있다. 다만, 각종 사물에서 정보를 수집해야 하는 특성상, 사물인터넷은 초소형 크기로 구성되어야 하며 저전력 동작이 필수다. 이는 실시간으로 정보를 전송해야 하며, 기존 사물에 쉽게 설치 및 사용되기 위한 것으로, 배터리나 자가발전 등의 한정된 전원에 의존해야 하기 때문이다.
반면, 사물인터넷 중 온도 정보를 수집하는 시스템은 다양한 방식으로 사용될 수 있다. 거주자에게 쾌적한 온도 수준을 파악하고 관리하는 스마트 홈(smart home), 농작물이 자라기 위한 적정 온도를 유지하는 스마트 팜(smart farm), 기기 작동과 화학 약품 처리에서 적절한 온도를 제어하는 스마트 팩토리(smart factory) 등이 대표적이다.
이러한 온도 기반 사물인터넷의 구현을 위해서는 저전력 동작이 가능한 온도 센서가 필요하다. 온도 센서는 RTD(Resistive Temperature Detector), 열전대(thermocouple), 서미스터(thermistor), 링 오실레이터(ring oscillator) 등 다양한 형태로 구현 가능하며, 이 중에서 링 오실레이터 기반 온도 센서가 저전력 동작 관점에서 장점을 가진다. 링 오실레이터 온도 센서는 디지털 신호인 발진 주파수(oscillation frequency)가 온도에 따라 변하는 것을 이용하기 때문에 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analogue to Digital Converter)가 필요하지 않으므로, 변환기에 사용되는 전력 소모를 줄여 저전력 센서 구동이 가능하다는 장점을 가진다.
하지만, 두 개의 트랜지스터로 이루어진 인버터(inverter)가 세 개 이상 필요한 링 오실레이터를 사용하기 위해서는 다수의 트랜지스터를 집적하기 위한 필요 면적이 증가하여 단가가 비싸지며, 제작 비용의 증가로 경제성이 나빠진다. 또한, 동작에 필요한 최소 에너지가 여전히 크다는 단점이 존재한다.
본 발명의 목적은 트랜지스터 내에 전하를 저장하고 방출시킴으로써, 단일 트랜지스터로 오실레이터 동작을 구현하며, 온도가 증가함에 따라 증가하는 발진 주파수(oscillation frequency)를 이용한 온도 센서를 구현하고자 한다. 본 발명은 전술한 기술적 특징으로 인해, 두 개의 트랜지스터로 이루어진 인버터(inverter)가 세 개 이상 필요한 기존 링 오실레이터 온도 센서에 비해, 단일 트랜지스터로 오실레이터 기반 온도 센서를 구현할 수 있어, 온도 센서의 전력 소모와 면적 및 하드웨어 코스트(hardware cost)를 크게 줄일 수 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 상기 과제로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않은 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터는 기판 상에 형성되며, 정공 배리어 물질을 포함하는 정공 배리어 물질층, 상기 정공 배리어 물질층 상에 형성되는 부유 바디층(floating body), 상기 부유 바디층의 양측에 형성되는 소스 및 드레인, 상기 부유 바디층 상에 형성되는 게이트 절연막 및 상기 게이트 절연막 상에 형성되는 게이트를 포함하며, 상기 부유 바디층에 저장되는 전하의 양이 임계치 이상이 되면, 상기 소스 및 상기 드레인에서 스파이크 형태의 전압 신호를 방출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터로 구현한 온도센서에 있어서, 온도 증가에 의해, 단일 트랜지스터 내 부유 바디층에 저장되는 전하의 양이 임계치 이상이 되면, 소스 및 드레인에서 출력되는 스파이크 형태의 전압 신호의 최대값 감소, 최소값 증가로 인한 발진 주파수(oscillation frequency)의 증가를 센싱하며, 상기 단일 트랜지스터는 기판 상에 형성되며, 정공 배리어 물질을 포함하는 정공 배리어 물질층, 상기 정공 배리어 물질층 상에 형성되는 상기 부유 바디층(floating body), 상기 부유 바디층의 양측에 형성되는 상기 소스 및 드레인, 상기 부유 바디층 상에 형성되는 게이트 절연막 및 상기 게이트 절연막 상에 형성되는 게이트를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 트랜지스터 내에 전하를 저장하고 방출시킴으로써, 단일 트랜지스터로 오실레이터 동작을 구현하며, 온도가 증가함에 따라 증가하는 발진 주파수(oscillation frequency)를 이용한 온도 센서를 구현할 수 있다. 본 발명은 전술한 기술적 특징으로 인해, 오실레이터 구현을 위한 기존 링 오실레이터와 같이 다수의 트랜지스터를 사용할 필요가 없어, 집적도와 하드웨어 코스트(hardware cost)를 크게 개선할 수 있다. 이에 따라서, 단일 트랜지스터 만으로 오실레이터 기반 온도 센서 응용이 가능하며, 집적도를 6F2 이하 수준으로 크게 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 기존 링 오실레이터와 같이 다수의 트랜지스터를 사용할 필요가 없어 오실레이터 기반 온도 센서의 에너지 소비를 샘플링 레이트(Sampling Rate) 200 Hz 기준 516 pJ 수준으로 현저히 낮출 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터의 단면도를 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 단일 트랜지스터의 전자현미경 사진을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 방법을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 방법을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 특성에 대한 결과 그래프를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 원리를 설명하기 위한 전류 특성을 그래프로 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 소비 에너지 특성을 그래프로 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 발진 주파수(oscillation frequency) 온도 특성을, 단일 트랜지스터와 병렬로 연결된 외부 커패시턴스(capacitance) 변화량에 따라 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 단일 트랜지스터의 전자현미경 사진을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 방법을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 방법을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 특성에 대한 결과 그래프를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 원리를 설명하기 위한 전류 특성을 그래프로 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 소비 에너지 특성을 그래프로 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 발진 주파수(oscillation frequency) 온도 특성을, 단일 트랜지스터와 병렬로 연결된 외부 커패시턴스(capacitance) 변화량에 따라 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터의 단면도를 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 동작이 가능하며, 게이트가 있는 평면형 단일 트랜지스터의 단면도를 도시한 것이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 동작이 가능하며, 게이트가 없는 평면형 단일 트랜지스터의 단면도를 도시한 것이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터(100)는 기판(110), 정공 배리어 물질층(120), 부유 바디층(floating, body, 130), 소스(140), 드레인(150), 게이트 절연막(160) 및 게이트(170)를 포함한다. 이때, 오실레이터 동작을 가능하게 하는 핵심 구조는 부유 바디층(130)이다.
도 1a를 참조하면, 기판(110)은 전압 바이어스를 가하는 백 게이트(back gate)로 작용할 수 있으며, 기판(110) 상에는 순차적으로 정공 배리어 물질층(120)과 부유 바디층(130)이 위치한다.
실시예에 따라서, 기판(110)은 단결성 반도체 기판을 나타내는 것으로, 실리콘(Si) 기판, 실리콘 게르마늄(SiGe), 인장 실리콘(strained Si) 또는 인장 실리콘 게르마늄(strained SiGe), 실리콘 카바이드 기판(SiC) 및 에너지밴드 오프셋(offset)을 구비한 3-5족 화합물 반도체 기판 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
정공 배리어 물질층(120)은 기판(110) 상에 형성되며, 정공 배리어 물질 또는 전자 배리어 물질을 포함한다.
정공 배리어 물질층(120)은 매립된 산화물(buried oxide), p형 바디(body)인 경우에 매립된 n-웰(buried n-well), n형 바디(body)인 경우에 매립된 p-웰(buried p-well), 매립된 SiC(buried SiC) 또는 매립된 SiGe(buried SiGe), 및 에너지 밴드 오프셋(offset)이 가능한 매립된 3-5족 화합물(buried III-V compound) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
부유 바디층(floating body, 130)은 정공 배리어 물질층(120) 상에 형성된다. 반도체로 구성되는 부유 바디층(130)은 전하를 저장하는 역할을 하며, 오실레이터의 특성에 따라 그 도핑 농도가 달라질 수 있다. 예를 들면, 부유 바디층(130)은 충격 이온화(impact ionization)에 의해 발생한 정공이 축적되며, 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄 및 3-5족 화합물 반도체 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
부유 바디층(130)은 평면형 부유 바디, 돌출 형태의 채널을 갖는 핀(fin)형 부유 바디, 나노선(nanowire) 구조의 부유 바디 및 매립형 채널(buried channel), 오목형 채널(recessed channel), 고랑형 채널(groove channel)을 갖는 함몰형 부유 바디 중 어느 하나의 구조를 나타낼 수 있다.
실시예에 따라서, 단일 트랜지스터(100)는 부유 바디층 하단에 형성되는 하부 기판(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 상기 하부 기판은 백 게이트(back gate)로 동작 가능할 수 있다.
소스(140) 및 드레인(150)은 부유 바디층(130)의 양측에 형성된다.
소스(140) 및 드레인(150)은 확산(diffusion) 또는 이온 주입(ion implantation) 및 후속 열처리 등을 통해 형성된다. 전류 신호가 소스(140) 또는 드레인(150)으로 입력되어 일정 이상의 충격 이온화(impact ionization)가 발생하면, 소스(140) 또는 드레인(150)으로 스파이크 형태의 전압 신호가 출력된다.
소스(140) 및 드레인(150)은 n형 실리콘, p형 실리콘 및 금속실리사이드 중 어느 나로 형성될 수 있으며, 부유 바디층(130)과 다른 타입을 가질 수 있다. 예를 들면, 소스(140) 및 드레인(150)이 p형이면 부유 바디층(130)은 n형이고, 소스(140) 및 드레인(150)이 n형이면 부유 바디층(130)은 p형일 수 있다. 일 예로, n형 실리콘 또는 p형 실리콘으로 형성된 소스(140) 및 드레인(150)은 확산(diffusion), 고상 확산(solid-phase diffusion), 에피택셜 성장(epitaxial growth), 선택적 에피택셜 성장(epitaxial growth), 이온 주입(ion implantation) 및 후속 열처리 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
게이트 절연막(160)은 부유 바디층(130) 상에 형성된다.
게이트 절연막(160)은 부유 바디층(130)과 게이트(160)를 절연하는 것으로, 산화 실리콘(silicon oxide), 질화막, 산화 알루미늄(aluminum oxide), 산화 하프늄(hafnium oxide), 산화질화 하프늄(hafnium oxynitride), 산화 아연(zinc oxide), 산화 지르코늄(zirconium oxide) 및 산화하프늄지르코늄(HZO) 중 어느 하나, 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다.
게이트(170)는 게이트 절연막(160) 상에 형성된다.
게이트(170)는 게이트 절연막(160) 상에 형성되며, 부유 바디층(130)의 포텐션 조절을 통해 오실레이터 특성을 결정할 수 있다. 게이트(170)는 n형 폴리실리콘, p형 폴리실리콘 및 금속 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 해당 금속은 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 금(Au), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 은(Ag), 주석(TiN), 질화탄탈럼(TaN) 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
게이트(170)는 평면형 게이트, 핀(fin)형 게이트, 나노선(nanowire) 구조 또는 함몰형 게이트의 구조를 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 단일 트랜지스터(100)는 부유 바디층(130)의 도핑 농도가 일정값 이상(5×1017 cm-3)일 경우 게이트 절연막(160) 및 게이트(170)가 필요하지 않을 수 있으며, 이 경우 게이트 절연막(160) 및 게이트(170)를 포함하지 않는 2단자의 npn 게이트리스(npn gate-less) 트랜지스터 또는 pnp 게이트리스(pnp gate-less) 트랜지스터의 구조를 나타낼 수 있다. 이때, 구조는 도 1b에 도시된 바와 같다.
본 발명의 실시예에 따른 단일 트랜지스터(100)는 게이트 절연막(160) 및 게이트(170)가 부유 바디층(130) 전체를 둘러싸고 있는 GAA(Gate All Around) 구조일 수 있으며, 이 경우 전하가 배리어 물질 없이 갇힐 수 있으므로 정공 배리어 물질층(120)이 필요 없을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터(100)의 동작 방법은 다음과 같다.
소스(140) 또는 드레인(150)으로 전류 신호가 입력되면 해당 소스(140) 또는 드레인(150)에 전하가 저장된다. 저장된 전하의 양이 증가함에 따라 소스(140)와 드레인(150) 양단의 전압이 커지고, 그 결과 소스(140)와 드레인(150) 사이의 누설 전류에 의한 충격 이온화(impact ionization)가 발생한다. 이 때 발생하는 정공은 부유 바디층(130)에 저장되어 부유 바디의 포텐셜(potential)을 낮추며, 이는 소스(140)에서 채널로 유입되는 전류량을 증가시켜 충격 이온화(impact ionization)의 증가를 유발한다. 이러한 선순환(positive feedback) 과정으로 충격 이온화가 임계점에 도달하면, 단일 트랜지스터 래치(single transistor latch) 현상이 발생하여 소스(140) 또는 드레인(150)에 저장된 전하가 순간적으로 빠져나간다. 그 결과, 소스(140) 또는 드레인(150)으로 스파이크 형태의 전압 신호가 출력된다. 이에 따라서, 전류 신호가 지속적으로 입력되면 스파이크 형태의 전압 신호가 일정한 주기로 반복되고, 이것으로 오실레이터 동작이 가능하다.
오실레이터 동작을 할 때, 게이트(170)에 적절한 전압이 걸려야 한다. 하지만, 부유 바디층(130)의 도핑 농도가 일정 값 이상(5×1017 cm-3)이 되면, 게이트(170)에 전압을 걸지 않은 플로팅(floating) 상태에서도 오실레이터 동작이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터(100)를 이용한 온도 센서로의 응용은 다음과 같다.
오실레이터 동작 시, 스파이크 형태의 전압 신호에서 극대값은, 단일 트랜지스터 래치(single transistor latch)가 발생하는 소스(140)와 드레인(150) 양단의 전압과 같다. 온도가 증가함에 따라 소스(140)와 드레인(150) 사이의 누설 전류가 증가하며, 이는 단일 트랜지스터 래치(single transistor latch)가 발생하는 전압을 감소시킨다. 즉, 온도가 증가함에 따라 오실레이터 동작의 스파이크 형태의 전압 신호에서 극대값이 감소한다.
더불어, 소스(140) 또는 드레인(150)에 저장된 전하가 순간적으로 빠져나가는 전류가 클수록, 스파이크 형태의 전압 신호의 극소값이 작아진다. 이에, 온도가 증가함에 따라 소스(140) 또는 드레인(150)에 저장된 전하가 순간적으로 빠져나가는 전류가 감소하며, 그 결과 오실레이터 동작의 스파이크 형태의 전압 신호에서 극소값이 증가한다.
오실레이터 동작의 발진 주파수(oscillation frequency)는 스파이크 형태의 전압 신호의 극대값과 극소값의 차이에 비례하며, 고온에서 극대값은 감소하며 극소값은 증가한다. 따라서, 발진 주파수는 온도가 높아질수록 증가한다. 이를 이용하여, 본 발명은 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터를 이용하여 온도가 높아질수록 증가하는 발진 주파수를 센싱함으로써, 온도 센서로의 응용이 가능하다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 단일 트랜지스터의 전자현미경 사진을 도시한 것이다.
보다 상세하게, 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 평면형 부유 바디층 및 게이트를 포함하는 단일 트랜지스터의 전자현미경 사진을 도시한 것이며, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 핀(fin)형 부유 바디층 및 게이트를 포함하는 트랜지스터의 전자현미경 사진을 도시한 것이다.
본 발명에 따라 실제 제작된 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터는 도 2a의 단면을 가진다. 도 2a에서 단일 트랜지스터는 평면형 구조를 가지는 부유 바디층(130) 및 게이트(170)로 구성된 트랜지스터를 나타내며, 도 2b에서 단일 트랜지스터는 핀(fin)형 구조를 가지는 부유 바디층(130) 및 게이트(170)로 구성된 3차원 핀펫(FinFet) 트랜지스터를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 방법을 설명하기 위해 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 방법을 설명하기 위해 도시한 것이다.
보다 상세하게, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 방법을 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)을 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 방법을 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 도 3의 1)과 같이, 게이트(170)에 전압이 걸리지 않고 소스(140) 또는 드레인(150)에 전류 신호가 입력되지 않은 평형 상태에서는 부유 바디층(130)에 추가 전하가 존재하지 않는 것을 알 수 있다.
도 3의 2)를 참조하면, 게이트(170)에 음의 전압을 건 상태에서 소스(140) 또는 드레인(150)으로 전류 신호가 들어오면, 해당 소스(140) 또는 드레인(150)에 전하가 저장된다. 이후에 도 3의 3)을 참조하면, 저장된 전하의 양이 증가함에 따라 소스(140)와 드레인(150) 양단에 전압이 커지고, 이 전압으로 인한 충격 이온화(impact ionization)가 발생한다. 이때, 발생하는 정공은 부유 바디층(130)에 저장되어 부유 바디의 포텐셜(potential)을 낮춘다. 이후에 도 3의 4)를 참조하면, 충격 이온화(impact ionization)의 임계점에 도달하면 단일 트랜지스터 래치(single transistor latch)가 발생하여 소스(140) 또는 드레인(150)에 저장된 전하가 순간적으로 빠져나간다.
도 4를 참조하면, 도 4의 1)과 같이, 상대적으로 낮은 온도에서는 소스(140)와 드레인(150) 사이의 누설 전류가 작다. 그에 따라 단일 트랜지스터 래치(single transistor latch)가 발생하는 충격 이온화(impact ionization)의 임계점을 만족하기 위하여, 소스(140)와 드레인(150) 양단의 전압이 커야 한다. 그 결과, 오실레이터 동작의 스파이크 형태의 전압 신호에서 극대값이 비교적 크다. 더욱이, 상대적으로 낮은 온도에서는 단일 트랜지스터 래치(single transistor latch)에서 소스 또는 드레인에 저장된 전하가 순간적으로 빠져나가는 전류가 크며, 그 결과 오실레이터 동작의 스파이크 형태의 전압 신호에서 극소값이 비교적 작다.
전술한 바와 같은 원리로, 도 4의 2)를 참조하면, 상대적으로 높은 온도에서는 소스(140)와 드레인(150) 사이의 누설 전류가 크고 단일 트랜지스터 래치(single transistor latch)에서 소스 또는 드레인에 저장된 전하가 순간적으로 빠져나가는 전류가 작아서, 오실레이터 동작의 스파이크 형태의 전압 신호에서 극대값이 비교적 작고 극소값이 비교적 크다. 이에, 오실레이터 동작의 발진 주파수(oscillation frequency)는 스파이크 형태의 전압 신호의 극대값과 극소값의 차이에 비례하며, 오실레이터 기반 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 방법에 따라, 발진 주파수는 온도가 높아질수록 증가한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 특성에 대한 결과 그래프를 도시한 것이다.
보다 상세하게, 도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 출력 전압의 발진(oscillation) 동작을, 실제 측정된 데이터를 기반으로 온도에 따라 나타낸 그래프를 도시한 것이고, 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 출력 전압의 발진 주파수(oscillation frequency) 특성을, 실제 측정된 데이터를 기반으로 온도에 따라 나타낸 그래프이며, 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 발진 동작에서 출력 전압의 최대값과 최소값을, 실제 측정된 데이터를 기반으로 온도에 따라 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 5a를 참조하면, 시간에 따른 출력 전압이 스파이크 형태를 가지고 반복되는 것을 확인할 수 있고, 온도가 증가함에 따라 발진 주파수가 증가함을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 도 5b를 참조하면, 온도가 높을수록 발진 주파수가 증가하는, 전형적인 오실레이터 기반 온도센서의 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 또한 도 5c를 참조하면, 스파이크 형태의 출력 전압 신호에서 온도가 증가함에 따라, 전술한 바와 같이 극대값이 감소하고 극소값이 증가함을 알 수 있다. 한편, 도 5에 나타난 발진 동작과 그 특성에는, 단일 트랜지스터와 병렬로 연결된 측정 장비의 외부 커패시턴스(capacitance) 값인 80 pF이 포함되어 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 동작 원리를 설명하기 위한 전류 특성을 그래프로 도시한 것이다.
보다 상세하게, 도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 소스와 드레인 사이의 누설 전류를, 시물레이션 데이터를 기반으로 온도에 따라 나타낸 그래프를 도시한 것이며, 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 소스 또는 드레인에 저장된 전하가 순간적으로 빠져나와 출력되는 전류를, 실제 측정된 데이터를 기반으로 온도에 따라 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 6a를 참조하면, 시물레이션 결과에 따라 온도가 증가할 때 소스와 드레인 사이의 누설 전류가 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6b를 참조하면, 실측 결과에 따라 온도가 증가할 때 단일 트랜지스터 래치(single transistor latch)에서 소스 또는 드레인에 저장된 전하가 순간적으로 빠져나오는 출력전류가 작아지는 것을 알 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 소비 에너지 특성을 그래프로 도시한 것이다.
보다 상세하게, 도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 소비 전력과 소비 에너지 특성을, 샘플링 레이트(sampling rate) 200 Hz 기준 30°C 환경에서 측정된 데이터를 기반으로 나타낸 그래프를 도시한 것이며, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반 온도 센서 동작이 가능한 단일 트랜지스터의 온도에 따른 소비 에너지를, 샘플링 레이트(sampling rate) 200 Hz 기준에서 측정된 데이터를 기반으로 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 7a를 참조하면, 30°C 환경에서 발진에 따른 소비 전력의 형태를 확인할 수 있으며, 샘플링 레이트 200 Hz에서 에너지 소모가 약 516 pJ 수준임을 알 수 있다. 또한, 도 7b를 참조하면, 30°C, 70°C, 110°C에서의 에너지 소모가 샘플링 레이트 200 Hz에서 516 pJ 이하로 유지됨을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반의 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 발진 주파수(oscillation frequency) 온도 특성을, 단일 트랜지스터와 병렬로 연결된 외부 커패시턴스(capacitance) 변화량에 따라 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 외부 커패시턴스가 감소할 때 측정 온도 전체에서 발진 주파수가 증가하는 것을 알 수 있다. 이에 따라서, 외부 커패시턴스를 감소시키는 것으로 오실레이터 기반 온도 센서 응용이 가능한 단일 트랜지스터의 샘플링 레이트의 증가와 동작 에너지의 감소가 가능하다.
이때, 전술한 도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 6b, 도 7a 및 도 7b의 결과는 부유 바디층의 길이가 380 nm, 부유 바디층의 폭이 430 nm, 부유 바디층의 두께가 50 nm, 부유 바디층의 도핑 농도가 5.5×1017 cm-3인 2단자의 npn 게이트리스(npn gate-less) 트랜지스터의 구조를 가지는 단일 트랜지스터에서 직접 측정되었다. 더욱이, 도 6a 및 도 8의 결과는 2단자의 npn 게이트리스(npn gate-less) 트랜지스터와 동일한 구조와 크기에서, 동일한 측정방법으로 시뮬레이션 한 결과를 나타낸다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터
110: 기판
120: 정공 배리어 물질층
130: 부유 바디층
140: 소스
150: 드레인
160: 게이트 절연막
170: 게이트
110: 기판
120: 정공 배리어 물질층
130: 부유 바디층
140: 소스
150: 드레인
160: 게이트 절연막
170: 게이트
Claims (13)
- 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터에 있어서,
기판 상에 형성되며, 정공 배리어 물질을 포함하는 정공 배리어 물질층;
상기 정공 배리어 물질층 상에 형성되는 부유 바디층(floating body);
상기 부유 바디층의 양측에 형성되는 소스 및 드레인;
상기 부유 바디층 상에 형성되는 게이트 절연막; 및
상기 게이트 절연막 상에 형성되는 게이트를 포함하며,
상기 부유 바디층에 저장되는 전하의 양이 임계치 이상이 되면, 상기 소스 및 상기 드레인에서 스파이크 형태의 전압 신호를 방출하는 것-상기 전압 신호는, 상기 단일 트랜지스터가 온도센서로 사용되도록 온도 증가에 따라 극대값 감소, 극소값 증가로 인해 발진 주파수(oscillation frequency)가 증가되는 특성을 가짐-을 특징으로 하는, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 기판은
실리콘 기판, 실리콘 게르마늄, 인장 실리콘 또는 인장 실리콘 게르마늄, 실리콘 카바이드 및 에너지밴드 오프셋(offset)을 구비한 3-5족 화합물 반도체 기판 중 어느 하나로 형성된, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 정공 배리어 물질층은
매립된 산화물(buried oxide), p형 바디(body)인 경우에 매립된 n-웰(buried n-well), n형 바디(body)인 경우에 매립된 p-웰(buried p-well), 매립된 SiC(buried SiC) 또는 매립된 SiGe(buried SiGe), 및 에너지 밴드 오프셋(offset)이 가능한 매립된 3-5족 화합물(buried III-V compound) 중 어느 하나로 형성된, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 부유 바디층은
충격 이온화(impact ionization)에 의해 발생한 정공이 축적되며, 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄 및 3-5족 화합물 반도체 중 어느 하나로 형성되는, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터. - 제4항에 있어서,
상기 부유 바디층은
평면형 부유 바디, 돌출 형태의 채널을 갖는 핀(fin)형 부유 바디 및 매립형 채널(buried channel), 오목형 채널(recessed channel), 고랑형 채널(groove channel)을 갖는 함몰형 부유 바디 중 어느 하나의 구조를 나타내는, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 부유 바디층 하단에 형성되는 하부 기판을 더 포함할 수 있으며,
상기 하부 기판은
백 게이트(back gate)로 동작 가능한 것을 특징으로 하는, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 소스 및 드레인은
n형 실리콘, p형 실리콘 및 금속실리사이드 중 어느 하나로 형성되는, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 게이트 절연막은
산화 실리콘(silicon oxide), 질화막, 산화 알루미늄(aluminum oxide), 산화 하프늄(hafnium oxide), 산화질화 하프늄(hafnium oxynitride), 산화 아연(zinc oxide), 산화 지르코늄(zirconium oxide) 및 산화하프늄지르코늄(HZO) 중 어느 하나, 또는 이들의 조합으로 형성되는, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 게이트는
평면형 게이트, 핀(fin)형 게이트 또는 함몰형 게이트의 구조를 나타내는, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터. - 제9항에 있어서,
상기 게이트는
n형 폴리실리콘, p형 폴리실리콘 또는 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 금(Au), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 은(Ag), 주석(TiN) 및 질화탄탈럼(TaN) 중 어느 하나, 또는 이들의 조합으로 형성되는, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 단일 트랜지스터는
상기 부유 바디층의 도핑 농도가 5×1017 cm-3 이면, 상기 게이트 절연막 및 상기 게이트를 포함하지 않는 2단자의 npn 게이트리스(npn gate-less) 트랜지스터 또는 pnp 게이트리스(pnp gate-less) 트랜지스터의 구조를 나타내는 것을 특징으로 하는, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 단일 트랜지스터는
상기 게이트 절연막 및 상기 게이트가 상기 부유 바디층을 둘러싸는 GAA(Gate All Around) 구조를 나타내는 것을 특징으로 하는, 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터. - 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터로 구현한 온도센서에 있어서,
상기 단일 트랜지스터 내 부유 바디층에 저장되는 전하의 양이 임계치 이상이 되면, 소스 및 드레인에서 방출되는 스파이크 형태의 전압 신호-상기 전압 신호는 온도 증가에 따라 극대값 감소, 극소값 증가로 인해 발진 주파수(oscillation frequency)가 증가되는 특성을 가짐-를 센싱하여 상기 온도센서로 응용되며,
상기 단일 트랜지스터는
기판 상에 형성되며, 정공 배리어 물질을 포함하는 정공 배리어 물질층;
상기 정공 배리어 물질층 상에 형성되는 상기 부유 바디층(floating body);
상기 부유 바디층의 양측에 형성되는 상기 소스 및 드레인;
상기 부유 바디층 상에 형성되는 게이트 절연막; 및
상기 게이트 절연막 상에 형성되는 게이트를 포함하는, 온도센서.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210057000A KR102506201B1 (ko) | 2021-05-03 | 2021-05-03 | 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터 및 이를 이용한 온도 센서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210057000A KR102506201B1 (ko) | 2021-05-03 | 2021-05-03 | 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터 및 이를 이용한 온도 센서 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220149949A KR20220149949A (ko) | 2022-11-10 |
| KR102506201B1 true KR102506201B1 (ko) | 2023-03-07 |
Family
ID=84101739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210057000A KR102506201B1 (ko) | 2021-05-03 | 2021-05-03 | 오실레이터 동작이 가능한 단일 트랜지스터 및 이를 이용한 온도 센서 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102506201B1 (ko) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102610822B1 (ko) * | 2016-11-30 | 2023-12-06 | 삼성전자주식회사 | 오실레이터를 제어하기 위한 회로 및 이를 포함하는 장치 |
| KR102223265B1 (ko) * | 2019-05-22 | 2021-03-05 | 한국과학기술원 | 뉴런 동작이 가능한 단일 트랜지스터의 구조와 동작 방법 및 이를 이용한 뉴로모픽 시스템 |
-
2021
- 2021-05-03 KR KR1020210057000A patent/KR102506201B1/ko active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20220149949A (ko) | 2022-11-10 |
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