Zero Temperature Coefficient와 Temperature Sensor 동작 원리

금일은 Temperature Sensor에 대해 포스팅하겠습니다. 최근 고성능 Chip이 증가하면서 Chip 내부 온도 관리의 중요성이 더욱 커지고 있습니다. Chip의 온도가 상승하면 누설 전류 증가 등으로 인해 열 폭주(Thermal Runaway)와 같은 문제가 발생할 수 있으며, 이는 Chip의 성능 저하나 신뢰성 문제로 이어질 수 있습니다. 따라서 Temperature Sensor의 배치와 안정성은 Chip의 성능과 신뢰성을 유지하는 데 매우 중요한 요소가 되었으며, 이번 포스팅에서는 이러한 Temperature Sensor의 구조와 구동 방식에 대해 알아보겠습니다. 제가 참고한 자료는 아래와 같습니다.

 

① Temperature Sensor Applications of Diode-Connected MOS Transistors

1. Temperature Sensor의 필요성

반도체 칩에서 Temperature Sensor는 칩의 안정적인 동작을 유지하기 위해 매우 중요한 역할을 합니다. 반도체 소자의 전기적 특성은 온도에 크게 영향을 받기 때문에 칩 내부의 온도를 지속적으로 모니터링하는 것이 필요합니다. 특히 온도가 상승하면 Leakage Current가 증가하고 소비 전력이 커지게 되며, 이로 인해 다시 온도가 상승하는 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 현상이 지속되면 소자의 성능 저하뿐만 아니라 칩의 신뢰성 문제나 손상으로 이어질 수 있습니다.

 

이와 같은 문제를 방지하기 위해 칩 내부에는 Temperature Sensor를 배치하여 온도를 실시간으로 모니터링합니다. 만약 특정 영역의 온도가 일정 수준 이상으로 상승하면 시스템은 이를 감지하여 클록 주파수나 동작 전압을 조절하는 방식으로 소비 전력을 낮추게 됩니다. 이러한 방식은 일반적으로 Thermal Throttling 또는 DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)라고 하며, 칩의 온도를 안정적인 범위로 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

특히 최근의 고성능 SoC에서는 전력 밀도가 매우 높아 특정 영역에서 국부적인 온도 상승이 발생하기 쉽습니다. 예를 들어 CPU 코어나 GPU와 같은 연산 블록뿐만 아니라, 고속 신호 처리가 이루어지는 HBM PHY나 고속 Interface 회로에서도 많은 전력이 소모됩니다. 이러한 영역에서는 온도 변화가 성능과 신뢰성에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 Temperature Sensor를 여러 개 배치하여 온도를 세밀하게 모니터링합니다.

2. Zero Temperature Coefficient (ZTC)

Temperature Sensor의 동작 원리를 이해하려면 Zero Temperature Coefficient (ZTC) 개념에 대한 이해가 필요합니다. 온도 변화에 따라 Transistor의 특성 중 Mobility와 Vth가 아래와 같이 변화하게 됩니다. 자세한 매커니즘은 이전에 포스팅한 온도에 따른 FinFET, GAAFET 특성 변화 참고 부탁드립니다.

• 온도 증가 → Vt 감소 →  Current 증가
• 온도 증가 →  Mobility 감소 →  Current 감소

즉, 온도 변화로 인해 두 가지 변화가 서로 보상되는 방향으로 움직입니다. 이로 인해 특정 바이어스 조건에서는 온도가 변하더라도 전류(Current)가 거의 변하지 않는 지점이 나타나게 되는데, 이를 Zero Temperature Coefficient (ZTC)라고 합니다. 또한 이 ZTC 지점을 기준으로 전후 영역에서는 온도에 따른 전류 변화 특성이 서로 다르게 나타나게 됩니다.

• Vgs > ZTC : 온도 높을수록 Current 감소 (Mobility 영향 우세)
• Vgs < ZTC : 온도 높을수록 Current 증가 (Vth 영향 우세)

그림 1. 온도에 따른 Vgs vs. Id 특성 곡선 (ZTC)

3. Temperature Sensor 동작 원리

Temperature Sensor는 앞서 설명한 ZTC (Zero Temperature Coefficient) 지점을 기준으로, 온도에 따라 전류 특성이 달라지는 특성을 이용하여 온도를 측정합니다. 아래는 대표적인 Temperature Sensor 회로입니다.

 

회로를 간단히 설명하면, MOS 트랜지스터의 Gate와 Drain이 연결된 diode-connected 구조이며, 트랜지스터에는 일정한 전류원이 흐르도록 바이어스되어 있습니다. 이때 전류의 크기가 ZTC에서의 전류 IDF 보다 큰지 또는 작은지에 따라 온도에 따른 Vgs의 변화 경향이 달라집니다.

그림 2. 전류원의 크기에 따른 Vgs 온도 의존성

 

만약 일정한 전류원이 ZTC 전류보다 큰 경우, 온도가 상승함에 따라 Mobility 감소 효과가 더 크게 작용하게 되어 동일한 전류를 유지하기 위해 더 높은 Vgs가 필요하게 됩니다. 따라서 온도가 증가할수록 Vgs는 증가하는 특성을 보이게 됩니다.

 

반대로 전류원이 ZTC 전류보다 작은 경우, 온도가 상승하면 Threshold Voltage 감소 효과가 더 크게 작용하여 동일한 전류를 유지하기 위해 필요한 Vgs가 감소하게 됩니다. 이 경우 온도가 증가할수록 Vgs는 감소하는 특성을 나타냅니다. 이와 같이 Diode-connected MOS에서 일정 전류 조건에서 나타나는 Vgs의 온도 의존성을 이용하면, Vgs 변화를 측정하여 온도를 추정할 수 있으며, 이러한 원리를 기반으로 MOS 기반 Temperature Sensor를 구현할 수 있습니다.

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결론 및 의견

결론적으로, 최근 반도체 Chip에서는 발열 관리가 성능과 신뢰성을 결정하는 중요한 요소가 되고 있습니다. Chip의 온도가 상승하면 누설 전류 증가와 함께 열이 더욱 증가하는 열 폭주 현상이 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해 시스템은 Thermal Throttling이나 DVFS와 같은 방식으로 주파수와 전압을 조절하여 온도를 제어합니다.

 

이러한 이유로 최근 Chip 설계에서는 Temperature Sensor를 Chip 내부 주요 영역에 분산 배치하여 온도를 실시간으로 모니터링하고, 이를 기반으로 성능과 전력을 동적으로 제어하는 구조가 일반적으로 사용되고 있습니다. 실제로 Geekbench와 같은 벤치마크를 반복 실행하면 시간이 지날수록 온도 상승에 따라 Thermal Throttling이 발생하며 성능이 점차 감소하는 현상을 확인할 수 있습니다. 따라서 Temperature Sensor는 단순히 온도를 측정하는 역할을 넘어, Chip의 안정적인 동작과 발열 제어, 그리고 전체 시스템 성능을 유지하기 위한 핵심 요소라고 할 수 있습니다.