[반도체 소자] Dynamic/Static Power Current, VCC & VDD 차이

오늘은 Dynamic / Static Power Current에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 생각보다 용어 개념을 혼동하시는 분들이 많더라구여. 꼭 숙지하시길 바라겠습니다.

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 질문을 하기 앞서 한 가지 숙지하고 가셔야 할 가장 기본적인 개념은 바로 'Current'가 흐른다는 것은
반드시 Power Consumption이 있다는 것을 의미합니다.
물리 수업 시간에 'P = VI'라는 식을 배우셨을 것입니다.
바이어스를 인가했을 때, 전위차에 의해서 전류가 흐른다는 것은 저항이 있다는 것입니다.
부하가 있어야 전위차가 발생할 수 있기 때문입니다. 

 당연한 이야기를 해서 죄송합니다. 다시 한 번 강조하자면 전류가 흐른다는 것은 부하가 있다는 것이고 그 부하에서 전력소모가 발생한다는 것을 의미합니다.
오늘은 반도체 Chip에서 주요 Test Item인 Dynamic / Static Power Current에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.

[질문 1] Dynamic Power Current에 대해서 설명하세요.

Dynamic Power는 Chip이 동작상태일 때에 전력소모 양입니다. 그 중 우리가 Test를 할 때, 중요 Item으로 보는 Dynamic Power는 2가지 Case가 있습니다.

 첫 번째는 바로 Switching Power입니다. Switching 소자는 전기적 신호가 0에서 1로 반대로 1에서 0으로 Switching 되면서 소모되는 Power입니다. DRAM을 예로 들면, 한 셀에 전기적 신호를 '1'로 기억하기 위해서는 셀 내의 Capacitor에 전하를 Charging 합니다. (기존의 셀은 '0'으로 되있음) 이때 Charging할 때 Power가 소모됩니다. 반대로 1에서 0으로 신호가 바뀔 때는 Capacitor의 Charging된 전자를 방전시킵니다. 이때 방전하면서 전력이 소모가 됩니다.

 두 번째는 Short-Circuit Current입니다. 전자공학을 전공하신 분들은 많이 들어보셨을 것입니다. Short-Circuit Current는 N/PMOS가 서로 Toggle 될 때, 소모되는 Power입니다. NMOS와 PMOS는 서로 반대 극성입니다. NMOS가 ON 되면 PMOS가 OFF 되고 반대로 NMOS가 OFF 되면 PMOS가 ON 됩니다. 이때, 우리가 인가하는 바이어스는 Discrete 하지 않기 때문에 NMOS와 PMOS의 상태가 스위칭되면서 일시적으로 Short가 발생합니다. 전류가 흐르는 것입니다.  이렇게 동작할 때 소모되는 Power를 Dynamic Power라고 합니다.

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[질문 2] Static Power Current에 대해서 설명하세요.

Static Power는 Chip이 동작하지 않는 상태에서 소모되는 Power를 의미합니다. 이는 소자가 OFF 상태에서 소모되는 Power이기 때문에 이는 다시 말하면 OFF 상태에서 소자에 흐르는 전류인 Leakage Current에 기인한다는 것입니다. 소자의 대표적인 Leakage Current는 Gate Leakage, Subthreshold Current, Junction Leakage를 예로 들 수 있습니다. 그 외에도 Channel Length가 짧아지면서 발생하는 SCE에 의해서 Leakage가 더욱 심화되고 있죠. 

Gate Leakage는 Off 상태에서 Gate와 Body 사이에 흐르는 Leakage에 의해 소모되는 Power입니다. Subthreshold Current는 Threshold Voltage 이전 전압영역에서 흐르는 전류에 의해 소모되는 Power이며, Junction Leakage는 Source/Body, Drain Body와 같은 PN Junction 사이에서 흐르는 Leakage에 의해 소모되는 Power를 의미합니다.

이렇게 Leakage에 의해서 소모되는 Power를 Static Power라고 정의합니다.

[반도체 소자] 이것만 보면 된다! Leakage Current 총정리 [2/2]

[반도체 소자] 이것만 보면 된다! Leakage Current 총정리 [1/2]

[세부설명] 미세화 트랜드와 Power Current
우리는 Channel Length를 줄임으로써 Performance의 향상을 기대했습니다. 하지만, Leakage와 Performance는 Trade Off 관계에 있습니다. Channel Length를 줄임으로써 Drain Current를 증가시켜 Performance를 향상시켰지만, Short Channel Effect로 인해 Vt roll-off 현상에 의해 Leakage가 크게 증가합니다. Leakage가 증가한다는 것은 Chip이 동작하지 않는 Sleep 상태에서 소모되는 Power가 크게 증가한다는 것을 의미합니다. 그래서 우리는 이러한 Leakage Current를 줄이기 위해 Shallow Junction Depth, LDD, Halo Implant, Retrograde Body Doping Profile, Reverse Body Bias 등 (반도체 소자 Leakage 정리 참고) 다양한 기술들을 적용시켰습니다. 이에 따라 Leakage를 감소시킬 수는 있었지만, Vt의 증가, 기생저항의 증가 됨에 따라 Performance는 저하되었습니다. 

그러다 점점 더 Chip Size가 작아지면서 이러한 방법도 결국은 한계에 도달하게 됩니다. 그래서 28nm 때부터 FinFET이 적용돼고 FinFET 또한 5nm까지 양산돼다가 같은 이유로 3nm에서는 GAAFET을 적용하는 로드맵을 보이게 된 것입니다. 기술 로드맵에 대해서 아래 링크를 참조해주세요

Dynamic/Static Power Current는 반도체 Chip을 Test할 때, Power Current를 측정함으로써 소모되는 Power를 계산하는 중요 Test 항목이라 할 수 있습니다.

[반도체 소자] 3nm/2nm 공정 GAAFET, 반도체 산업 - 딴딴's 반도체사관학교 (tistory.com)

[반도체 소자] 3nm/2nm 공정 GAAFET, 반도체 산업

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[질문 3] VCC와 VDD 차이에 대해서 설명하세요.

"아래 링크에서는 VCC와 VDD의 차이를 MOSFET과 BJT로 설명했었는데, 그건 기본 개념과 어원에 대한 이야기였습니다."

반도체 Chip 내에는 정말 수많은 소자들이 존재합니다. 여러분들이 배웠던 수없이 많은 Active / Passive Device들을 포함하고 있습니다. 그뿐 아니라 반도체 Chip이 설계한 Function을 구현하기 위해서는 다양한 동작전압을 사용합니다. Logic 회로가 포함된 Digital Block과 출력단에는 Analog Block들이 있습니다. 일반적으로 Digital Block에 Logic Circuit은 1.5 ~ 2.5V의 Low Voltage가 인가됩니다. Analog Block단은 11.0 ~ 18.0V, 특히 자동차용 전력 반도체는 수백 V가 인가됩니다. 이렇게 한 Chip 내에 Low Voltage와 High Voltage 소자를 같이 제조하고, Low Voltage인 LV소자에 인가하는 전압을 VCC를 High Voltage 소자에 인가하는 전압을 VDD로 표현합니다.

 

[반도체 소자] Dynamic/Static Power, Vcc, Vdd, Vee, Vss에 대해서 설명하세요.

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오늘은 Dynamic / Static Power 정의에 대해서 알아보았습니다. 
오늘 하루도 고생 많으셨습니다.
충성!