[반도체 이야기]

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1 [ 반도체이야기 ] 똘이아빠

2 소개글 현대의디지털정보통신사회에서필수적인요소로서의 ' 반도체 ' 에대해알아봅니다.

3 목차 1 [ 반도체이야기 ] 1. 반도체가뭐야? 4 2 [ 반도체이야기 ] 2. 전기에대한기초상식 6 3 [ 반도체이야기 ] 3. 원소주기율표 11 4 [ 반도체이야기 ] 4. 보어의원자모형 15 5 [ 반도체이야기 ] 5. 에너지띠 (energy band) 18 6 [ 반도체이야기 ] 6. 불순물을품은반도체 22 7 [ 반도체이야기 ] 7. P와 N이만날때 27 8 [ 반도체이야기 ] 8. 세발달린반도체 - Transistor 34 9 [ 반도체이야기 ] 9. 반도체의개발 [ 반도체이야기 ] 10. 집적회로 (IC) 의발명 [ 반도체이야기 ] 11. 집적회로 (IC) 의종류 [ 반도체이야기 ] 12. 반도체집적회로 (IC) 의발전 [ 반도체이야기 ] 13. 반도체의활용과제조공정 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 66

4 [ 반도체이야기 ] 1. 반도체가뭐야? :26 [ 반도체이야기 ] 1. 반도체가뭐야? 반도체란? 초등학교자연시간에했었던실험을떠올려보겠습니다. 건전지와꼬마전구, 스위치로전기회로를만들었습니다. 그리고동전, 클립, 은박지, 풍선, 나무젓가락... 등등잡다한여러가지 물건을준비합니다. 이물건을하나씩전기회로에연결하여전기가통하는지안통하는지 를실험하는...( 해본사람들있지요?) 이실험은 ' 도체와부도체 ' 실험입니다. 이실험에서은박지나동전, 클립, 못같은금속성물체는전기가통하 여꼬마전구에불이켜집니다. 이에비해서나무젓가락, 플라스틱숟가락, 고무풍선은전기가통하 지않습니다. 이렇게전기가잘통하는물체를 ' 도체 ' 라고하고전기가잘통하지않는물체를 ' 부도체 ' 라고합니다. 전기가흐르는정도를 ' 전기전도도 ' 라고하는데요. 그러니까도체는전기전도도가크고, 부도체는전기전도도가거의 '0' 에가깝다고 할수있겠습니다. [ 반도체이야기 ] 1. 반도체가뭐야? 4

5 전기전도도가도체와부도체의중간정도되는물질을 ' 반도체 ' 라고부릅니다. 아래와같이한자와영어로써보면그뜻을더잘알수있겠지요. 도체 - 導體 - co nducto r 부도체 - 不導體 - ins ula to r 반도체 - 半導體 - s emi co nducto r 반도체는어떤경우에는도체처럼전기가통하고어떤때는부도체처럼전기가통하지않는성질을가지고있습니다. 반도체물질의대표적인것이 Si( 실리콘 ), Ge( 저마늄 ) 인데순수한물질로서의 Si, Ge는부도체처럼전기가통하지않는데, 어떤인공적인조작을가하면도체처럼전기가통하게되는특징이있습니다. 그러한인위적인조작으로열이나빛을가하거나특정불순물을주입하는등의조작이있습니다. 도체는전기가잘통하기는하지만이것을인위적으로조절할수는없는데반도체는어떤조작을통해서도체처럼전기가흐르게만들수있다는특성이있습니다. 이러한반도체의성질을이용해서전자적소자를만들어사용하게됩니다. [ 반도체이야기 ] 1. 반도체가뭐야? 5

6 [ 반도체이야기 ] 2. 전기에대한기초상식 :34 [ 반도체이야기 ] 2. 전기에대한기초상식 앞시간에알아보았듯이반도체는도체와부도체의중간적성질을가지고있다고했습니다. 반도체의전기적성질을알아보기전에전기에대한기초적인내용을정리해보겠습니다. 초등학교나중학교때배우는내용인데너무오래전에배워서생각이안나거나굳이알필요가없어서모르고넘어가는경우가많았겠지요. 전기기초상식 ( 옴의법칙 ) 전기라는것은양 (+ ), 음 (- ) 의부호를가진두종류의전하가나타내는여러가지자연현상으로써정전기나전류뿐만아니라모든전기현 상은전하에의해일어납니다. 음의전하는전자에의해서나타나는데요. 그러니까전자가움직이면전기가발생하는것입니다. 전자는 "- " 에서 "+ " 로이동하지만회로상에서전류의방향은 "+ " 에서 "- " 로흐른다고약속하고있습니다. 그이유는전자가발견되기 전에과학자들이전기의흐름을 + 에서 - 로보았기때문입니다. 그런데전자를움직이게하는힘 ( 기전력 ) 은 ' 전위차 ' 에의해서생깁니다. 마치물이흐르려면높이의차이가있어야하거나모터로압력을가 [ 반도체이야기 ] 2. 전기에대한기초상식 6

7 해서물을돌리는것처럼전기적인힘의차이가있어야전기의흐름이생기게된다는것입니다. 이러한전위차를우리는전압이라고부릅니 다. 전압이높으면이동하는전하가많고전압이낮으면이동하는전하의양이적겠지요. 이동하는전하가적으면전류가약하고이동하는전하가많으면전류가세어집니다. 1 초동안에얼마만큼의전하가도선을따라이동하느냐 에따라서전류의세기를정합니다. 전류의단위는 A( 암페어 ) 를사용하는데, 1A는 1초동안 1C( 쿨롱 ) 의전하가이동하는양입니다. 전류가흐르는것을방해하는힘을저항이라고합니다 ( 옴의법칙에서의정의는이와는다른의미가있지만...). 저항은도선의길이와굵기와상관이있으며, 흐르는전류의세기와전압에도관계합니다. 전류의세기는전압에비례하고, 저항에반비례의관계에있습니다. 이러한전류, 전압, 저항의상관관계를나타내는법칙이 ' 옴의법칙 ' 입니 다. [ 반도체이야기 ] 2. 전기에대한기초상식 7

8 물체의비저항값 전기가도선에흐르는것을방해하는힘을저항이라고하였는데, 저항은도선의길이와굵기와도상관이있습니다. 이는전자가도선을따라이동할때원자핵이전자의흐름을방해하는장애물이되어전자가만나는원자핵이많을수록흐름에방해를더받게되어서저항이커지게되는것입니다. 따라서저항은도선의길이에비례하고단면적에반비례하게됩니다. 이것을식으로나타내면아래와같습니다. [ 반도체이야기 ] 2. 전기에대한기초상식 8

9 여기에서비례상수 는물체가가지는고유저항값을나 타내는데위의식에서다음의식을도출해낼수있습니다. 이러한물질의고유한전기저항도를 ' 비저항 ' 이라고하 며저항값 (R) 을알고단면적과길이를알면물체의비저항 을계산할수있습니다. 이러한비저항은단위단면적 (1 m2 ) 당단위길이 (1m) 를기준 으로하여측정한저항으로정의를하고있습니다. 중요한물질의비저항값은아래의표와같습니다. 도체는이비저항값이작아서전기가잘통하고부도체는비저항값이커서전기가잘통하지않는다고말할수있습니다. [ 반도체이야기 ] 2. 전기에대한기초상식 9

10 위의표로알수있듯이금속중에서가장전기가잘통하는것은 ' 은 ' 입니다. 그런데전기선으로은을사용하지않고구리를주로사용하는이유는무엇일까요? 네 ~, 당연히비싸니까! 반도체의비저항값은도체와부도체의중간정도가됩니다. [ 반도체이야기 ] 2. 전기에대한기초상식 10

11 [ 반도체이야기 ] 3. 원소주기율표 :33 [ 반도체이야기 ] 3. 원소주기율표 (periodic table) 반도체로쓰이는물질의대표적인것으로 S i(silicon, i 규소 ) 와 Ge (germanium, 게르마늄-요즘은 ' 저마늄 ' 이라고부르는...) 이있습니다. 특히실리콘은반도체소자로가장많이사용되는데지구상에풍부하게존재하는물질입니다. 원소명 : 규소, Silico n 어원 : 부싯돌의라틴어 Sile x 에서유래됨 역사 : 1824 년 Jo ns J. Be rze lius 에의해확인됨 산출 : 지각무게의 25.9% 를차지하는풍부한원소임 외관 : 무정형 Si - 갈색분말 결정형 Si - 푸르스름한빛을내는어두운회색 순수 Si - SiO2 층으로덮여있음 그렇다면, 이러한실리콘반도체의전기전도도를어떻게조절할수있는걸까요? 바로, 반도체물질에불순물을주입하는것입니다. 이온주입법 (ion implantation) 은가장많이사용되는방법으로주입하는불순물의양에 따라반도체물질의전기전도도를조절할수있는데요. 불순물과반도체의관계에대해서는다음에자세히알아보도록하겠습니다. 원자구조와주기율표 우리가반도체물질에대해서좀더잘알기위해서원소와원자구조에대한기본적인이해가필요한데요. 이에대해서알아보도록합시다. 물질을계속해서쪼개어나가다보면물질 의성질을가지는가장작은입자단위인 [ 반도체이야기 ] 3. 원소주기율표 11

12 분자를지나서원자 (atom) 라는아주작은 입자가됩니다. 이원자는양성자 (proton), 중성자 (neutron), 전자 (electron) 로구성 되어있습니다. 이러한원자구조는양성자와중성자로이루어진원자핵 을중심으로전자들이일정한궤도를돌고있는모양을 하고있는데마치지구나화성이태양주위를돌고있 는태양계의모습을연상시킵니다. 여기서, 원자핵주변을돌고있는전자들중가장바깥 쪽궤도를돌고있는전자를 ' 최외각전자 ' 라고합니 다. 최외각전자들은 8 개를채우려하는성질이있는데 최외각전자가 8 개가되면안정적인상태의물질이되 기때문입니다. 이것이원자와원자를서로결합시키는 원동력이되어분자 (molecule) 가됩니다. 이러한분자들이모여서물질이되는것입니다. 그리고최외각전자의개수가같은원자들끼리는유사한성질을가지고있는데이렇게최외각전자의수에따라원자들을분류해놓은표를 ' 원소주기율표 '(periodic table) 라고합니다. 1869년러시아의화학자인 ' 드미트리멘델레예프 ' (D. I. Mendeleev, 1834~1907) 는원소들을연구하면서한가지 흥미로운사실을발견하였습니다. 당시까지알려져있던원 소들을원자량의순서에따라배열하였을때, 화학적성질 이비슷한원소가일정한간격을두고주기적으로나타난다 는것이었습니다. 이러한사실을토대로하여멘델레예프는 최초의주기율표를만들었습니다. 그러나그때까지발견된 원소는 63 종류에불과했기때문에그가제안한주기율표에 는빈칸이많았습니다. [ 반도체이야기 ] 3. 원소주기율표 12

13 1914년영국의물리학자 ' 헨리모즐리 '(H. G. J. Moseley, 1887~1915) 는여러원소로부터얻은 X선의파장을조사하여분석하는실험을하였습니다. 그는이실험을통해원소의주기적성질이원자량보다는원자번호와더관계있다는사실을발견하였습니다. 원자번호에따라원소들을배열해보니주기적특성이더정확하게나타난것이었습니다. 이는현대의원소주기율표와유사하였습니다. 가장많이쓰이는주기율표에는단주기형과장주기형이있습니다. 단주기형주기율표는 1주기와 3주기를기준으로하고, 4주기아래로는전형원소와전이원소가같은칸에있습니다. 이단주기형주기율표는초기에쓴모델로원자가많이알려지지않았을때많이사용하였습니다. 현재는국제순수응용화학연맹 (IUPAC : International Union of Pure and Applied Chemistry) 에서고안한장주기형주기율표가사용되는데이는총 118개의원소를 18족으로분류한것입니다. < 클릭을하면큰그림으로볼수있습니다.> 주기율표의각원소기호위에는원자번호가적혀있고아래쪽에는원소들의우리말명칭이적혀있습니다. 각원소의원자번호는원자가가지는양성자수를나타내는데, 중성원자의경우양성자수와전자수가같기때문에전자수를나타낸다고도할수있습니다. 표는 18개의세로줄, 7개의가로줄그리고 2개의특수줄로구성되어있습니다. 각세로줄을족 (family) 이라고하는데, 같은족의원자들은비슷한전자배치를가지기때문에비슷한성질을가지게됩니다. 그리고가로줄을주기 (period) 라고하는데, 같은주기원소들의성질이비슷하지는않지만 [ 반도체이야기 ] 3. 원소주기율표 13

14 원자번호의증가순서에따라일정한경향성을나타냅니다. 주기율표에있는원소대부분은자연에존재하지만 94번이상의원자번호가큰무거운원소들은인공합성한경우가많습니다. 최근 (2012년 10월 ) 에는러시아와미국의과학자들에의해서합성된두개의새로운화학원소 114번 (Uuq, 우눈쿼듐 ) 과 116번 (Uuh, 우눈헥슘 ) 이플레로븀 (Fl : flerovium), 리버모륨 (Lv : livermorium) 이라는공식이름을갖게되었습니다. 이로써 2013년 1월현재 118개의원소중에서 113번우눈트륨 (Uut), 115번우눈펜튬 (Uup), 117번우눈셉튬 (Uus), 118번우누녹튬 (Uuo) 원소만임시명칭으로사용되고있습니다. [ 반도체이야기 ] 3. 원소주기율표 14

15 [ 반도체이야기 ] 4. 보어의원자모형 :54 [ 반도체이야기 ] 4. 보어의원자모형 보어의원자모형과에너지준위 우리가원자의구조를상상하면서흔히떠올리게되는태양계의모습을닮은, 원자핵을중심으로궤도를도는전자들의모형은양자역학의창시자라고일컬어지는 ' 닐스보어 '(Niels Henrik David Bohr, 1885~1962) 의원자구조모형입니다. 1913년보어는러더퍼드의원자모형의문제점을해결하고기체원자의선스펙트럼을설명하기위하여양자개념을도입하여가설을발표하고이에근거한보어의원자모형을제시하였습니다. 현재의원자구조모형은양자역학이론의발전에따라전자의정해진궤도가없이전자가존재할수있는확률인파동함수 ( 오비탈 ) 에따른전자구름모양을제시하고있습니다. 물론보어의원자구조모형이문제점이있지만일반적으로양자역학에서는쉽게이해하기쉬운보어의원자모형을가지고설명하고있습니다. [ 반도체이야기 ] 4. 보어의원자모형 15

16 보어의원자구조모형에서는전자는일정한에너지값을가지는전자궤도 ( 전자껍질 ) 를돌고있으며바깥으로갈수록그에너지준위가높 아집니다. 낮은에너지준위에있던전자가어떤 이유 ( 진동, 열, 빛이나전자파의조사, 전자기장, 다른입자와의충돌등 ) 로에 너지를받게되면에너지준위가더높 은전자껍질로이동하게됩니다. 이런상태의전자를 ' 들뜬상태 ' 또는 ' 여기상태 ( 勵起狀態 )' 라고합니다. 이에 비해가장안정된낮은에너지준위상 태를 ' 바닥상태 ' 또는 ' 기저상태 ( 基底 狀態 )' 라고합니다. 높은에너지준위로들뜬상태에있던 전자는불안정하여안정된상태의낮은 에너지준위로돌아가려고합니다. 이때전자가낮은상태의에너지준위로떨어지면서빛이나전자기파, 방사선등의에너지를방출하게됩니다. 각전자껍질에는최대한수용할수있는전자의수가정해져있는데첫번째껍질 (K) 에는 2 개, L 껍질에는 8 개, M 껍질에는 18 개의전자밖에 수용할수없으므로, 바깥쪽껍질의전자는안쪽껍질에정원이모자라는경우가아니면이동할수없습니다. 원자내의전자수는그원자번 호와일치하며, 원자번호의증가에따라늘어나는원자내의전자는에너지가낮은껍질부터차례로들어가서주기율 ( 週期律 ) 이성립됩니다. 전자껍질을채우는전자의수는오비탈에너지준위에의해결정되는데, 쉽게말해서가장바깥쪽전자껍질의전자 ( 최외각전자 ) 를 8 개로 채우려는경향이강합니다. 이러한규칙을 ' 옥텟규칙 ' 이라고하는데요. 음악의 ' 옥타브 ' 에서따온말입니다. 그래서금속원자들은전자를잃 고 18 족원소와같이마지막껍질의전자가 8 개가되려는경향성을갖고있습니다. 또한비금속원소들은전자를얻어서마지막껍질의전자 가 8 개가되려는경향성을갖게됩니다. 원자가서로결합하는것은이러한전자배치를통하여원자자신이안정해지려는성질때문입니다. [ 반도체이야기 ] 4. 보어의원자모형 16

17 금속결정에서는최외각전자가원자핵으로부터쉽게벗어나서금속양이온사이를자유롭게이동할 수있습니다. 이렇게자유롭게이동하는전자를 ' 자유전자 ' 라고하고이전자들은양이온들을강하게결합시키는 역할을합니다. 이렇게생겨난결합을 ' 금속결합 ' 이라고합니다. 자유롭게이동할수있는자유전자때문에금속은전기전도도가높고열전도도가크며연성과전성이 크고녹는점이높은등의금속의성질을나타내게됩니다. [ 반도체이야기 ] 4. 보어의원자모형 17

18 [ 반도체이야기 ] 5. 에너지띠 (energy band) :04 [ 반도체이야기 ] 5. 에너지띠 (energ y band) 앞에서살펴본에너지준위에대하여조금더알아보도록하겠습니다. 에너지준위는원자핵에서가까울수록낮고멀어질수록높습니다. 그리고전자가높은에너지준위로가기위해서는에너지의흡수가필요하고, 낮은 에너지준위로내려갈때에너지의방출이있게된다는것을알았습니다. 원자핵에서가까운전자들은원자핵과매우강하게상호작용을하고있으므로쉽게떨어지지않습니다. 이에비해원자핵에멀리떨 어진전자들은쉽게분리되어자유전자가되어이동하기도합니다. 최외각에위치하는전자는원자간의결합에영향을미치는데 ' 원 자가전자 ' 라고도부릅니다. 에너지띠 (energy band) 기체는원자들사이의거리가멀기때문에같은종류의기체원자는동일한에너지준위분포를가지게됩니다. 그러나고체에서는이와조금다른경우가됩니다. 고체에서는많은원자들이매우조밀하게결합되어있습니다. 대체로무거운원자일수록전자의갯수도많아지는데, 이전자들은에너지준위에따라서분포하게됩니다. 따라서전자들중에는비교적원자핵에가까운전자들도있고원자핵에서먼전자들도있습니 [ 반도체이야기 ] 5. 에너지띠 (energy band) 18

19 다. 원자핵과가까운전자는원자핵과의강한상호작용으로인하여쉽게떨어질수없고다른원자들과결합하는데쓰이지못합니다. 이때문에원자들의결합을생각할때에는원자핵에서멀리있는전자들만을고려하게되는데, 이러한전자들이 ' 원자가전자 ' 입니 다. 따라서고체의결합에서는원자가전자들의에너지준위만을고려하면됩니다. 고체는원자사이의거리가가깝기때문에인접한 원자들이모두전자의궤도에영향을주게됩니다. 따라서그림과같이주위에있는각원자들에의한에너지준위는양자역학적 효과에의해교란되어약간의차이를두면서에너지준위가쭉벌어지게됩니다. 특히나에너지준위차이가아주작은윗부분은 에너지준위가연속적인띠를이루게됩니다. 이와같이연속적인것으로취급할수있는에너지준위영역을에너지띠 (energy band) 라고합니다. 기본적으로고체의전자에너지준위는모두띠의형태를띕니다. 그러니까고체는전자가있을수있는정확한위치가있는것이아니라전자가있을수있는영역과전자가있을수없는영역으로 구분합니다. 전자가있을수있는영역을 ' 허용된띠 ' 라고하고, 허용된띠사이에전자가있을수없는영역을 ' 띠틈 '(bandgap) 이 라고합니다. 띠틈의크기는고체의전기전도성을결정하는중요한요인이됩니다. 이처럼고체의에너지준위는띠와띠틈이반복 되는형태로나타나는데, 이를띠구조 (band structure) 라고합니다. 당연한이야기이지만띠와띠사이의에너지를가지는전자는 존재하지않습니다. 그곳에는전자가취할수있는양자상태 ( 에너지 ) 가존재하지않기때문입니다. 원자내부의전자들은허용된띠의가장낮은에너지띠부터채워나가는데, 전자가존재하는가장높은에너지띠를원자가띠라고합니다. 원 자가띠에는전자가채워져있는데, 이전자가열에너지나전기장으로부터에너지를흡수하여더높은에너지띠로전이하면고체내부에서자 유롭게이동할수있습니다. 고체내부에서자유롭게이동하는전자를자유전자라고하며, 자유전자가이동하여전류가흐르게됩니다. 그래서원자가띠위에있 는에너지띠를전도띠라고합니다. 반도체와부도체에서는원자가띠위에띠틈이있고, 그위에전도띠가있습니다. 전도띠에는전 자가차있지않아서전도띠로전이된전자는아주작은에너지를주어도자유전자가됩니다. 전자가원자가띠에서전도띠로전이하 면원자가띠에전자가비어있는 (+) 성질을띠는부분이생기게됩니다. 이부분을양공 (holes) 또는정공이라고합니다. [ 반도체이야기 ] 5. 에너지띠 (energy band) 19

20 < 자유전자와양공 > < 절연체, 도체, 반도체의에너지띠 > 그림과같이원자가띠와전도띠사이의간격의크기즉, 띠틈의크기에따라서물체를세가지로분류할수있습니다. 부도체 ( 절연체 ) 는띠틈이매우넓어서전도띠로전자가이동하는것이거의불가능하기때문에전류가거의흐르지않습니다. 도체는전도띠와원자가띠가일부겹친것으로생각할수있는데, 약간의에너지만흡수하여도전자가전도띠로이동하여고체내부 를자유롭게이동하는자유전자가될수있습니다. 반도체는띠틈이좁아서적당한에너지를흡수하면전도띠로전자가많이이동하여전류를흐르게할수있습니다. 반도체의원자가 [ 반도체이야기 ] 5. 에너지띠 (energy band) 20

21 전자의일부는상온에서전도띠에분포하여전류를흐르게하지만절대영도에서는반도체의전자들이전도띠에전혀없기때문에절 연체로취급합니다. [ 반도체이야기 ] 5. 에너지띠 (energy band) 21

22 [ 반도체이야기 ] 6. 불순물을품은반도체 :15 [ 반도체이야기 ] 6. 진성반도체와불순물반도체 이번시간에는반도체물질의종류와특성에대해서알아보려고합니다. 반도체는평소에는부도체로작용하다가어떤조작을가하면도체가됩니다. 어떤원리에의해서그렇게되는걸까요? 반도체에는순수한한가지의원소로만이루어진진성반도체 (intrinsic semiconductor) 와다른원소의혼합으로만들어지는불순 물반도체 (impurity semiconductor) 가있습니다. 불순물반도체는혼합하는불순물의종류에따라 N형반도체와 P형반도체로 구분합니다. 진성반도체 진성반도체는반도체물질로쓰이는 Si( 규소 ) 와 Ge( 저마늄 ) 의한가지원소의단결정으로만들어집니다. Si 와 Ge 는탄소 (C) 와더불어원소주기율표상의 14 족원소들로최외각전자가 4 개로서원자가가 4 인원소들입니다. [ 반도체이야기 ] 6. 불순물을품은반도체 22

23 Si 결정안에서각 Si 원자는옥텟규칙에따라서최외각전자가 8 개인안정된상태가되려고서로가전자를공유하여결합하게됩니 다. 이렇게전자를공유하여결합하는것을 ' 공유결합 ' 이라고하는데요. 이러한공유결합을통하여 Si 결정은전기적으로안정된절연체 (= 부도체 ) 가됩니다. 이러한진성반도체에열이나빛등의강한자극이주어지면공유결합되었던전자중에서에너지를받아들뜬전자가튀어나와전도대로옮겨가서자유전자가됩니다. 자유전자가튀어나온자리는마치전자가비어있는구멍과같은상태, 즉정공 (hole, 양공 ) 이되며정공은즉시인근의다른전자가그자리를채우게됩니다. 이런상황이연속적으로반복이되어마치빈정공이이동을하는듯한현상이일어납니다. [ 반도체이야기 ] 6. 불순물을품은반도체 23

24 이러한자유전자와정공의발생은 1:1로동시에일어나는데이를전자와정공의쌍생성 (Production ofa hole-electron pair:ehp 생성 ) 이라합니다. 쌍생성된자유전자와정공은시간이흐르면서로결합하여소멸하게됩니다. 실제로정공이라는것은입자로존재하지않습니다. 실제입자가아닌 ' 비어있는전자준위 ', ' 전자가위치할수있는자리 ' 라고생각 하면됩니다. 자유전자가들어올수있는자리로서빈구멍과같은것이나전하의이동에대하여설명할때 + 전하로해석해서설명하는것이이 해하기가쉬워서 + 의전하로취급하는것입니다. 전하의이동에관계되는자유전자 (-전하) 와정공 (+ 전하 ) 을전하운반자 (Charge Carrier) 또는 ' 캐리어 ' 라고줄여서부릅니다. 진성반도체인실리콘결정은전자단위의전기전도도를고려해야함으로매우순도가높습니다. 귀금속인금의제련순도와비교하면얼마나높은순도를요구하는지알수있겠지요. 금은 % 만되어도국제적으로순금으로인정받으며귀하게여기는데반도체의원료가되는실리콘은 99.99% 의순도라면쓰레기 취급을받습니다. 그만큼실리콘의순도는최종제품의품질을결정하는데핵심적인역할을합니다. 그래서이러한순도를표시할때정수자리및소 [ 반도체이야기 ] 6. 불순물을품은반도체 24

25 수자리포함하여 9 가몇개있는지를알기쉽게나타내기위해서 Six Nine(6N) 즉, 9 가 6 개있다는형식으로표현합니다. 태양전지의생산에서는 9 가 6 개이상되는 (6N) 실리콘이사용되며, 컴퓨터의메모리소자등에는 9 가 11 개이상 (11N) 인고품위실리 콘괴 (silicon ingot) 를사용합니다. 불순물반도체 순수한반도체물질은전하를운반하는캐리어밀도가매우작습니다. 그래서전기가잘통하지않는부도체라고볼수있습니다. 캐리어밀도를높이면캐리어가전하를운반하여전류가흐를수있게됩니다. 캐리어밀도를높이기위해서진성반도체에불순물을소량혼합하는데이렇게만들어진반도체가불순물반도체입니다. 불순물반도체는전하운반자로자유전자가작동하도록하는 'N형'(Negative) 과, 정공을운반자로사용하는 'P형'(Positive) 이있습니다. N형반도체는 Si나 Ge의결정안에과잉전자를발생시키기위해주기율표의 15족원소인 P( 인 ), As( 비소 ), Sb( 안티몬 ) 등을도핑하 여만듭니다. 원자가전자가 5 인 15 족원소는 14 족원소와공유결합을하고 1 개의과잉전자 (excess electron) 를가지게되는데, 이과잉전자가 자유전자가되어전하의운반자로기능하게됩니다. 이과잉전자를만드는불순물을도너 (donor) 라하고, 그준위를도너준위 (donor level) 라합니다. 그림과같이과잉전자는근소한에너지를받으면, 전도대로올라가서전도전자가되는한편, 먼저의도너원자는양이온이됩니다. [ 반도체이야기 ] 6. 불순물을품은반도체 25

26 P형반도체는결정안에서정공이인위적으로만들어지도록주기율표의 13족원소인 B( 붕소 ), Al( 알루미늄 ), Ga( 갈륨 ), In( 인듐 ) 등 을불순물로혼합합니다. 13 족원소는원자가가 3 으로 Si 나 Ge 와의공유결합에서전자가하나부족하게되는데이것이정공이되어캐리어로작용합니다. 이와같이정공을만들기위한불순물을억셉터 (acceptor) 라합니다. 그림은 P형반도체의에너지대구조를나타낸것으로, 충만대보다도조금높은곳에새로운억셉터준위 (acceptor level) 가있게됩니다. 따라서, 상온에서도충만대의전자는억셉터준위로올라가며, 충만대에는정공이생겨이것이반송자가됩니다. 이때, 억셉터원자는음이온이됩니다. 위에서설명한반도체의전도성에대해정리하면다음과같습니다. 진성반도체의반송자는같은수의전자와정공으로한다. N 형반도체의반송자는대부분전자이고정공은소수이다. P 형반도체의반송자는대부분정공이고전자는소수이다. 이와같은경우에서, 전자와정공중에서많은편의반송자를다수반송자 (majority carrier) 라하고, 적은편의반송자를소수반 송자 (minority carrier) 라합니다. [ 반도체이야기 ] 6. 불순물을품은반도체 26

27 [ 반도체이야기 ] 7. P 와 N이만날때 :46 [ 반도체이야기 ] 7. P-N 접합 불순물반도체는다수캐리어가무엇인가에따라서 'P 형 ' 과 'N 형 ' 이있다고하였습니다. 그런데이두형태의반도체를서로붙이면어떤일이일어날까요? P-N 접합 P형반도체는정공이많은반도체이지만, 전체적인극성으로따지자면중성입니다. 한마디로내부결합구조가전자가결합되기쉬운상태인것입니다. N형반도체는전자가많은반도체입니다. 극성으로따지자면이역시도중성입니다. 한마디로내부결합구조가전자가탈출하기쉬운상태입니다. 도체쪽은 (-) 를잃었기때문에점점 (+) 전위를띠게됩니다. P형반도체와 N형반도체를서로접합시키게되면, 접합부분에서전자밀도의차이에따른확산작용에의해 N형반도체에서빠져나온소량의전자가 P형반도체로이동하여전자와양공이서로결합하면서안정화되게됩니다. 즉, 빈자리인정공으로전자가들어가서최외곽전자가 8개로되어안정화되게됩니다. 이렇게서로안정화되면서나타나는현상은, P형반도체에는전자가, N형반도체에는정공이많이생겼다는점입니다. 이는, 중성인물체에서각각 (-), (+) 성분이더해졌기때문에극성이생겨버린것입니다. 전자와정공이결합함으로써, P형반도체쪽은균형상태에서 (+) 인정공이사라졌기때문에점점 (-) 전위를가지게되고, N형반 [ 반도체이야기 ] 7. P 와 N 이만날때 27

28 이렇게 P 형의접합부에서는정공이 N 형영역으로확산되어넘어가서음이온화된억셉트이온에의한음전하층이형성되고, N 형의 접합부에서는전자가 P 형영역으로넘어가서양이온화된도너이온의양전하층이생깁니다. PN 접합부의이온층은전기장을형성하 는데전계의방향은 + 에서 - 이므로여기서는 N( 양이온층 ) 에서 P( 음이온층 ) 의방향으로전계가형성됩니다. 이전계때문에전자와 정공이더이상이동을못한다고생각해도좋습니다. 이런이온들에의한전기장이생긴곳을공간전하영역 (space charge region) 이 라고합니다. 또는, 이러한접합부위는전하를운반하는캐리어가고갈된영역이라는의미로공핍영역 (depletion layer) 이라고도하 는데, 여기에생긴전위차를문턱전압 (Forward Threshold Voltage= 전위장벽 ) 이라고합니다. 공핍층을이해하기좋게두껍게그렸지만, 실제로는미크론 ( 니다. :1/1000mm) 단위의얇은막상태이므로약간의전압만으로도무너집 실리콘으로만든반도체는약 0.6V( 볼트 ), 게르마늄으로만든반도체는 0.2V( 볼트 ) 만으로도전자와정공이막 ( 절연층 ) 을통과할수있 습니다. 이렇게 P-N접합으로만들어진반도체소자를다이오드 (diode) 라고합니다. 다이오드의용도는전원장치에서교류전류를직류전류로바꾸는정류기로서의용도, 라디오의고주파에서신호를꺼내는검파용, 전 류의 ON/OFF 를제어하는스위칭용도, 빛을발산하는표시등이나조명용도등, 매우광범위하게사용되고있습니다. [ 반도체이야기 ] 7. P 와 N 이만날때 28

29 바이어스의연결 PN 접합을통하여만들어진다이오드는정상상태에서는접합부위 ( 공핍층 ) 의전기장내의내부전위차 ( 전위장벽 ) 에의하여전류가흐 르지않는부도체상태가유지됩니다. [ 반도체이야기 ] 7. P 와 N 이만날때 29

30 이러한 PN 접합다이오드에전류를흐르게하면그전류의방향에따라전위차의변화가생깁니다. 이렇게전자소자에동작을위해가해지는전류나전압을바이어스 (bias) 라고합니다. PN접합소자에서 P쪽 (anode) 에 (+) 극을, N쪽 (cathode) 에 (-) 극을연결하는바이어스를순방향바이어스 (forward bias) 라고합 니다. 순방향바이어스의연결에서 N 쪽의 발력에밀려서 P 쪽으로이동하게됩 또한전원의 (-) 단자는도선을통하 다. 바이어스전압원은자유전자에게충 가공핍층의장벽전위 (VBARRIER) 를 직이게만듭니다. 일단 P 형영역에 역의전자는즉시에너지를잃고가 렇게에너지를잃은전자는 P 영역 반대극성의전하는서로잡아당기기 자는 P 영역의왼쪽으로가전자를 P 형반도체에형성된정공은 P 영 동할수있는통로를제공합니다. 따 에서저정공으로움직입니다. P 영 으로접합부를향해오른쪽으로움 라는거다아시죠 ~). 전자가외부연결도체를통해 P (+) 단자로흐르게되면 P 영역에정 [ 반도체이야기 ] 7. P 와 N 이만날때 30

31 그후공핍영역에걸리는전위의크기가바이어스전압의크기 VR) V ( 와같아질때, 전계의세기는더이상증가하지않으며무시할수있을정도의아주작은역방향전류를제외하고는실제로과도전류 ( t r a n s i t i o n c u r r e n t ) 는흐르지않습니다. 역방향바이어스를가했을때, 과도전류가사라지고난후에도아주작은전류가흐르는데, 이전류는 N 영역과 P 영역에서열적생성된전자- 정공쌍에의해만들어지는소수반송자에의한것입니다. P 영역의소수반송자인소수의자유전자가바이어스전압의 ( - ) 단자에의해 P N 접합쪽으로 " 밀립니다. " 이와동시에 P 영역을벗어난이들됩니다. 우리는이미도체 ( 금속 ) 의는것을배웠습니다. 따라서도체내의전자가자유전자가내에서전자가자유전자가되는데필에너지소모가없습니다. 정공이접합부를향해움직인다고생각하면접합을가로질러 N 영역에서 P 영역으로오는일련의전자들과정공이결합한다고볼수있고정공의계속적인유용성이바로이점에있습니다. 많은전자들이공핍영역으로흐르면, 양이온의수가감소됩니다. 마찬가지로, PN 접합부반대편에있는정공이마치공핍영역으로흐른다고가정하면, 음이온의수도감소됩니다. 순방향바이어스를가하면양이온과음이온이감소하며, 공핍영역이좁아지게되면서전류가잘흐르게됩니다. 순방향바이어스인가시전류가잘통하므로스위치의 ON과같은기능으로사용할수있습니다. 순방향에서의연결과달리 P쪽 (anode) 에 (-) 극을, N쪽 (cathode) 에 (+) 극을연결하는바이어스를역방향바이어스 (reverse bias) 라고합니다. 서로다른극성의전하끼리는잡아 따라서, 바이어스전압원의 (+) 단자 자를잡아당겨접합부에서멀어지게 N 영역의전자가전압원의 (+) 단자 로형성됩니다. 따라서, N 영역의 송자의공핍이초래됩니다. 전자는가전자의신분으로전압원 어가공핍영역을향하여이리저리 인음이온을형성시킵니다. 따라서 시에다수반송자의공핍이초래됩 역방향바이어스전압이가해지면 적으로아주짧은시간동안만지속 공핍영역이넓어질수록다수반송자 N 영역과 P 영역에서다수반송 양이온과음이온사이에발생하는 [ 반도체이야기 ] 7. P 와 N 이만날때 31

32 이들전자가넓은공핍영역에도달할때 " 에너지언덕에서미끄러짐 " 이발생합니다. 미끄러진이들전자는가전자가되어 N 영역의 소수반송자인정공과결합하면서바이어스전압의 (+) 단자를향해전진합니다. 이렇게하여작은정공전류가흐르게되는것입니 다. P 영역의전도대역은 N 영역의전도대역보다훨씬높은에너지준위를가집니다. 따라서, 소수반송자인전자들이쉽게공핍 영역을통해지나가며별도의에너지를필요로하지않는것입니다. 통상역방향전류는너무적기때문에무시할수 있습니다. 그러나, 만약외부역방향바이어스전압 이항복전압 (Break Down Voltage) 이라고불리우 는값까지증가되면, 역방향전류는급격히증가됩 니다. 그이유는다음과같습니다. 높은역방향전압은소수반송자인자유전자에에 너지를공급하여 P 영역에서전자를가속시킵니다. 충분한에너지를가진가속된전자가원자와충돌 하게되고, 이때원자내의가전자는에너지를받 아궤도밖으로탈출하여전도대역으로올라갑니다. 이와같이새롭게형성된전도대역의전자도마찬 가지로높은에너지를가진상태이므로위의과정 을되풀이합니다. 만약이중한개의전자가 P 영역을돌아다니면서두개의가전자를때려이두개의가전자를궤도밖으로이끌어낸다면, 전자의 수는급속하게 2 배로증가합니다. 이들높은에너지를가진전자가공핍영역을통과하면충분한에너지를얻게되어전자는 N 영역에서정공과재결합하기보다는전 도전자로서움직이게됩니다. 이러한전도전자의증가를애벌런치효과 (avalanche effect) 라고하는데소수캐리어의작은충돌로인해큰효과가일어나는것을 보고마치작은눈덩이가크게불어나서눈사태가나는것과비슷하다하여전자사태항복 (Avalanche breakdown) 이라고도합니 다. 만약전류의크기를제한하는장치를하지않을경우전류의크기는기하급수적으로증가합니다. 역방향전류를제한하지않는다 면수반되는급격한발열현상에의해다이오드는파괴됩니다. 대부분의다이오드는역방향항복상태에서는동작시키지않으나, 전류제한저항을연결하여부가하는전류의크기를제한하면다이 오드의파괴를막을수있습니다. P-N 접합과다이오드에대한동영상을볼까요? [ 반도체이야기 ] 7. P 와 N 이만날때 32

33 utu.b e/w6queq 0nUH8 [ 반도체이야기 ] 7. P 와 N 이만날때 33

34 [ 반도체이야기 ] 8. 세발달린반도체 - Transistor :12 [ 반도체이야기 ] 8. 트렌지스터 (Transistor) stor) P 형반도체와 N 형반도체둘을접합하여다이오드를만든다고하였지요. 이러한 PN 접합을하나더추가하여접합을두번으로늘리면어떻게될까요? PNP 접합이나 NPN 접합의두가지형태를만들수있습니다. 이렇게세부분의반도체영역을가지는반도체소자가트렌지스터 (transistor) 입니다. 우리가전자제품을뜯어서안을살펴보면쉽게찾아볼수있는부품인데요. 접속단자인핀이길게 3 개나와있는검은색의부품입 니다. 트랜지스터는라디오나텔레비전등의증폭회로에많이쓰이는회로소자입니다. 트랜지스터는 1947 년미국벨연구소의윌리엄쇼클리 (Wiliam Shockley), 존바딘 (John Bardeen), 월터브래튼 (Walter Brattain) 이처음으로발명하였습니다. 그리고그공적에의하여 1956 년최대의명예인노벨물리학상이이들세사람에게수여되었습니다. 진공관을대체하기위하여개발된트랜지스터는그자체가소형이어서이를사용하는기기는진공관을사용할때에비하여소형이 되며, 가볍고소비전력이적어편리합니다. 개발초기에는잡음 주파수특성이나쁘고증폭도도충분하지못하였으나, 그후많이개 량되어대전력을다룰수있는등의장점이생겼으며, 이후특수한경우를제외하고는급속히진공관을대체하였습니다. 증폭작용과 전자신호를위한스위치나게이트로서역할을하여아날로그회로, 디지털회로등대다수의전자회로에사용됩니다. 집적회로 (IC) 는 작은전자칩에다수의트랜지스터와전자회로구성요소를집약시켜놓은것입니다. [ 반도체이야기 ] 8. 세발달린반도체 - Transistor 34

35 트랜지스터는한마디로말해서 P 형반도체와 N 형반도체를 3 개결합해서구성한것이라고할수있습니다. 그결합방법은 2개의 P형반도체사이에 N형반도체를샌드위치처럼끼운것을 PNP 형트랜지스터, 2개의 N형반도체사이에 P형 반도체를끼운것을 NPN 형트랜지스터라고합니다. 그림에서 3개의단자 B, C, E는각각베이스 (base), 컬렉터 (collector), 이미터 (emitter) 라고불려지고있습니다. E로표시되는이 미터에서는총전류가흐르게되고얇은막으로된베이스 (B) 가전류흐름을제어하며증폭된신호가컬렉터 (C) 로흐르게됩니다. 또 이미터에붙어있는화살표는이미터 (E), 베이스 (B) 간및이미터 (E), 컬렉터 (C) 간의전류의방향을나타냅니다. NPN 형인경우전 류는이미터쪽으로흐르고 PNP 형인경우이미터에서나가는방향으로전류가흐릅니다. NPN 형이나 PNP 형은이미터, 베이스간 및이미터, 컬렉터간의전류방향이서로반대로될뿐이지그동작원리는똑같은것입니다. 트랜지스터의전원연결은이미터 (E) 쪽에그려진화살표방향으로전류의방향이되도록연결합니다. 기본적으로 PN 접합이양쪽에 있는형태이므로다이오드에서와같이접합면에서전자의확산에의해공핍층이생기고결과로공핍층전기장이생겨더이상의전 자의확산을막게됩니다. 먼저그림1과같이베이스 (B) 와이미터 (E) 간에전원이없이연결된상태를생각해봅시다. 이상태에서는베이스 (B), 이미터 (E) 간에서의전압이 P에 (+), N에 (-) 가걸리게되어순방향으로되지만, 컬렉터 (C), 베이스 (B) 간에서는전압이 N에 (+), P에 (-) 가걸려역방향으로되기때문에결과적으로컬렉터 (C), 이미터 (E) 간에는전류가흐르지않습니다. 이것은마치다이오드에역전압을걸어둔것과도같습니다. 즉, 콜렉터 (C) 의전자들은양극으로몰리고베이스 (B) 의양공들은음극으로몰려트랜지스터안 [ 반도체이야기 ] 8. 세발달린반도체 - Transistor 35

36 에서는전류가흐르지않습니다. 여기서그림 2 와같이베이스 (B) 와이미 터 (E) 간에순방향전압을걸어준다 면, 베이스 (B) 로부터이미터 (E) 에전류가 흐르게될것입니다. 즉, 베이스 (B) 에는 양극을접속시키고이미터 (E) 에는음극 을접속시킵니다. 베이스 - 이미터 (BE) 를 하나의다이오드로생각하면순방향으로전압이걸려있기때문에베이스 (B) 와이미터 (E) 사이에는전류가흐르게됩니다. 전류가흐른다는말은전하의운반체가도선을따라계속움직인다는말입니다. 베이스 - 이미터 (BE) 에순전압이걸리면음전하를가 진 n 형의전자는 p 형에접속된양극으로움직이고, 양전하를가진 p 형의정공은 n 형에접속된음극으로움직입니다. 이때베이스 (B) 의폭이충분히좁기때문에이미터 (E) 에서베이스 (B) 로움직이던전자들은손쉽게베이스 (B) 를지나콜렉터 (C) 로건너갑니다. 콜렉터 (C) 에는이미역전압이걸려있기때문에일단전자가콜렉터 (C) 로건너오면전압차이때문에순식간에콜렉터 (C) 에접속된 양극으로빨려들어갑니다. 즉콜렉터 (C) 에도전류가흐르기시작하는것입니다. 더군다나베이스 (B) 에적은양의전류가흐르더라도 콜렉터 (C) 에는꽤많은양의전류가흐를수있습니다. 베이스 - 이미터 (BE) 에조금만전류가흘러도이미터 (E) 의많은전자가베이 스 (B) 를건너콜렉터 (C) 로지나갈수있기때문입니다. 이것이바로트랜지스터의 증폭작용 입니다. 트랜지스터를이용하면베이스 (B) 에흐르는적은양의전류로콜렉터 (C) 에큰전류를흐르게할수있습니다. 증폭을통해거의 100 배의전류도쉽게유도됩니다. 트랜지스터를잘활용하면베이스 (B) 에흐르는약한전류로콜렉터 (C) 에서흐르는큰전류를제어할 수있습니다. 이러한원리로트랜지스터는증폭기로사용됩니다. 보통트랜지스터는접합형트랜지스터 (Bipolar Junction Transistor: BJT) 를의미하며그외에전기장효과를이용한전기장효과 트랜지스터 (Field Effect Transistor: FET) 가있습니다. 우선 FET 과 BJT 의가장큰차이점 은극성에있습니다. [ 반도체이야기 ] 8. 세발달린반도체 - Transistor 36

37 BJT 는 Bipolar 즉, 쌍극성이고 FET 은단극성입니다. BJT 는전자, 정공두종류의캐리 어에의해서 ( 다수캐리어, 소수캐 리어 ) 전류가형성되므로양극성트 랜지스터로동작합니다. 이에비 해 FET 는한종류의캐리어 ( 다수 캐리어 ) 에의해서전류가형성되므 로단극성트랜지스터로동작합니 다. 그리고동작원리로보게되면 BJT 는전류로전류를제어하는반면 FET 은전압으로전류를제어합니다. BJT 는베이스전류는컬렉터전류에비례하므로큰컬렉터전류를얻기위해서큰베이스전류가공급되어야합니다. 반면에 FET 는 게이트전압에의한전계에의해동작하므로입력전류가필요없습니다. 그리고단자의명칭에서 BJT의컬렉터, 이미터, 베이스에해당하는단자는 FET에서는드레인 (D), 소스 (S), 게이트 (G) 라고하 며, FET 의게이트는 BJT 의베이스의역할처럼게이트에인가되는전압을조절하여드레인과소스사이의전류흐름을제어합니다. 어 떻게보면 BJT 와흡사합니다. 또한 FET 은 BJT 에비해작은면적으로만들수있습니다 ( 집적도가크다 ). 전력소모또한 BJT 에비해적습니다 그리고 FET 가 BJT 보다잘이용되고있는이유가바로제조가간편하다는것입니다. 따라서 IC 제조에 FET 가많이쓰이게됩니다. 제조에필요한공정단계및사용장비를줄일수있으므로생산단가가싸지기때문입니다. 소자의구분으로는 BJT 에서는 NPN, PNP 형태가있는반면 FET 에서는 N 채널, P 채널이있습니다. 전류의전도현상에정공이 참여하는것을 P 채널이라고하며자유전자가참여하는것을 N 채널이라고합니다. FET 에는접합형 FET(JFET) 와절연게이트형 FET(MOSFET) 가있습니다. MOSFET 은현재마이크로프로세서와컴퓨터메모리와 같은디지털집적회로에서가장중요한부품입니다. FET 은 BJT 트랜지스터에비해스위칭속도가빠르기때문에증폭용도보다는전 자스위치회로에많이쓰입니다. MOS 는 'Metal-Oxide S emiconductor' 의약자로 ' 금속산화막반도체 ' 를뜻합니다. 또한 MOSFET 는게이트전압과드레인전류특 성에따라서감소형 (depletion type) 과증가형 (enhancement type) 의두가지형태로구분합니다. [ 반도체이야기 ] 8. 세발달린반도체 - Transistor 37

38 [ 반도체이야기 ] 8. 세발달린반도체 - Transistor 38

39 [ 반도체이야기 ] 9. 반도체의개발 :03 [ 반도체이야기 ] 9. 반도체의개발 현재우리가살고있는디지털정보사회에서그기반이되는전자산업의핵심은 ' 반도체 ' 라고할수있겠습니다. 반도체가산업사회에서본격적으로각광받기시작한것은 1950 년경이후부터이지만, 그것의개발역사는상당히오래되었습니다. 반도체현상의발견 반도체에의해일어나는현상 ( 반도체적인성질 ) 의발견은 19 세기초부터시작되었습니다. 이를표로정리해보았습니다. [ 반도체이야기 ] 9. 반도체의개발 39

40 [ 반도체이야기 ] 9. 반도체의개발 40

41 A. 슈스터의발견을바탕으로하여 1920년에아산화구리정류기가시험제작되었습니다. 이밖에도 1883년에셀렌의정류작용이발견되었고, 1923년에셀렌정류기가발표되는등 20세기초까지는반도체소자로서주로정류기가고안 제작되었습니다. 정류작용이발견된초기에는왜그러한현상이나타나는지에대한이유를전혀알수없었습니다. 따라서, 이와같은현상을이용하여실제로정류기를제작했다고하더라도어떠한과학적인근거에기초한것은아니었으며, 다만경험적으로시행착오를거듭하면서발전해왔습니다. 1897년영국의과학자 J.J. 톰슨 (Joseph John Thomson, 1856~1940) 은음극선실험을통하여원자를이루는입자의하나인 ' 전자 (electron)' 의존재를알아내었습니다. 1803년 Dalton의원자설이후 1913년 Bohr의수소원자모형이나오기까지 100년남짓한과학사에있어서전자의발견은원자의구조를파헤치는데있어서가장선구적인사건이었습니다. 1926년에 E. 슈뢰딩거 (Erwin Schrodinger, 1887~1961) 에의해파동방정식이발표되고, 이것이활용됨으로써반도체에서의현상이하나하나해명되었습니다. 때를같이하여거의이상적인반도체재료도만들어졌으며, 마침내 1947년에 J. 바딘, W.H. 브래튼에의해점접촉트랜지스터 ( 최초의트랜지스터. 현재는사용되지않는다 ) 가발견되고, 이어서 W. 쇼클리에의한 < p-n 접합이론 > 이발표되어본격적인반도체시대로접어들게되었습니다. 진공관과반도체소자 오늘날의정보화사회의근간은통신기술과계산능력의발달과밀접한관계가있습니다. 통신기술은 " 멀리떨어져있는사람끼리대화를주고받을수없을까?" 라는초기발상이동기가되어발전되었다고하는데요. 이러한발전과정에서전기신호를사용하게되었습니다. 하지만, 장거리를이동하는도중에전기신호가약해지는현상이나타났고목 적지에도달하는중간중간, 이를증폭시켜주는역할이필요했습니다. 바로, 이증폭기능을위해최초로개발된것이 ' 진공관 ' 입니 다 년토머스에디슨 (Thomas Edison) 에의해발견된에디슨효과가진공관의시초라할수있습니다. 이발견을기초로하여영국의플레밍이기체를빼낸유리공속에백열전구와같은필라멘트와 2 개의금속판전극을넣어 2 극진공관 [ 반도체이야기 ] 9. 반도체의개발 41

42 ( 플레밍밸브, 다이오드 ) 을발명하여 1904 년특허를획득하고무선전신의검파 ( 檢波 ) 에이용했습니다. 존앰브로즈플레밍 Sir John Ambrose Fleming (1849~1945) < 플레밍밸브 > (2 극진공관 ) 리디포리스트 Lee de Forest (1873~1961) < 오디온 > (3 극진공관 ) 1907년에미국의디포리스트가 2극진공관에또다른전극 ( 그리드전극 ) 을삽입하여전자의흐름을제어하도록하는 3극진공관을발명하였습니다 ( 당시에오디온 (Audion) 이라고불렸다 ). 이후에 3극진공관의결점을보완한 4극관 5극관등이차례로발명되었고, 그외에도여러목적에따른진공관들이발명되었습니다. 3극진공관은필라멘트와양극판사이에 그리드 라는금속판을두어전자들을가속시킴으로써작은신호를크게증폭할수있었습니다. 이로써진공관은교류를직류로바꿔주는기능 ( 정류기능 ), 미세한신호를키워주는증폭기능, 일정한조건을만족해야전류가흐르는스위치기능 ( 논리회로를구성할수있다는뜻 ) 을갖출수있었습니다. 아놀드는 1912년에 3극진공관을더욱개선하였고, 1914년에는 3극관을전화시스템에응용하여미국의대륙횡단전화망을달성하였습니다. 과학기술의발전은 " 얼마나빠르고정확하게계산할수있느냐 " 는계산능력에비례해왔습니다. 이러한계산능력의발전이계 산기를발명해냈고, 1930 년대에와서는기계 / 전기스위치를쓰는정도로발전하게됩니다. 제 2 차세계대전은더빠르고용량이더 큰계산기의개발에박차를가했습니다. 그결과, 1946 년미국의펜실베니아대학에서세계최초의전자계산기 ENIAC 을개발하게 되는데요, 하지만, 이시스템은 19,000 개진공관의소요로 50 톤의무게와 280 m2의큰면적을차지하면서, 엄청난열을발생하였고, 가 격만해도 1940 년대시가백만달러를호가했습니다. [ 반도체이야기 ] 9. 반도체의개발 42

43 진공관은진공용기내에가열된음극에서방출하는전자를사용하기때문에가열선의소모나진공의열화에의하여수명이제한되고, 소비전력도크며, 외형도작게만들수없다는결점이있었습니다. 이러한진공관의단점을개선하기위한노력은결국, 향후트랜지스터의발명으로이어지게되는데요, ENIAC과같은거대장치도 2.42cm2의작은실리콘위에만들수있게되었고, 전구보다적은전력손실과 20달러이하의가격으로실현시킬수있게되는 ' 놀라운기적 ' 이탄생하게됩니다. 트랜지스터로인해전자제품의크기는점점작아지게되었으며, 보다정확하고다양한기능을실현시킬수있게되었습니다. [ 반도체이야기 ] 9. 반도체의개발 43

44 그러나트랜지스터도단점은있었습니다. 수많은트랜지스터와전자부품을서로연결해야만다양한기능을가진하나의제품을만 들수있는데요, 제품이점점복잡해질수록연결해주어야하는부분이기하급수적으로증가하게되고, 이런연결점들이제품을고 장내는주요원인이되었던것입니다. 트랜지스터의발명에의해소자의소형화및높은신뢰는달성되었지만, 대규모전자장치를동시에소형화하여신뢰성을높이기위 해서는전자부품들을서로접속하여종합적인전자회로를구성하기위한획기적인수단이필요하게되었습니다. 지금까지전자회로 내의각요소들은각각의배선에의하여연결되었습니다. 이러한전자회로의각요소들을하나로집적하는요구를반도체기술로실 현시킨것이반도체집적회로 (IC : Integrated C ircuits) 입니다. [ 반도체이야기 ] 9. 반도체의개발 44

45 [ 반도체이야기 ] 10. 집적회로 (IC) 의발명 :30 [ 반도체이야기 ] 1 0. 집적회로 (I C) 의발명 ' 숫자의횡포 ' 를뛰어넘어라! 세계최초의디지털컴퓨터인 에니악 (ENIAC) 은무게가 30t 이나나가고빽빽하게꽃혀진 1 만 8000 여개의진공관은엄청난전기를먹어치 우며열을내뿜었는데, ' 이기계가작동하면펜실베니아의가로등이깝빡인다 ' 는전설을만들어낸덩치큰괴물이었습니다. 포 (The Tyranny of Numbers) 였습니다. ENIAC 이후로도 EDSAC, UNIVAC 등등의진공관을이용한컴퓨터들이속속 개발되었지만, 진공관의큰문제점은열을견디지못하고쉽게타버려끊임없이 갈아줘야한다는것이었습니다. 이러한문제를해결하기위한돌파구를 ' 벨렙 ' 의윌리엄쇼클리, 월터하우저브 래튼, 존바딘세사람이열었습니다. 이들은 1947 년반도체게르마늄을이용해 진공관보다훨씬작고열도발생하지않는트랜지스터를발명했습니다. 트랜지 스터는이전의진공관에비해훨씬작고, 전력소모도적으며, 수명도길어크기 와비용, 효율, 안전성에커다란비약을이루어냈습니다. 그러나그럴듯한회로 를만들어내려면여전히커다란난관이버티고있었으니, 바로 숫자의횡 트랜지스터덕분에전자회로를다루기쉬워지자엔지니어들은이전의진공관으로는꿈도못꾸던복잡한회로들을구상하기시작했습니다. 자연히회로하나에필요한트랜지스터와다이오드, 저항, 콘덴서등도기하급수적으로증가했는데, 예를들어로켓을달에보내는것과같은꿈을실현하려면 1000만개가넘는엄청난수의부품이필요하였습니다. 아무리소자가소형화됐다해도 1000만개가넘는부품을하나의기판에집어넣기란보통일이아니었습니다. 부품을구하는것과기판의크기는둘째치고현실적으로이들을하나하나납땜으로연결하는것은불가능한일이었습니다. 게다가이처럼구성요소가많아지면노이즈가생길확률도높아지고회로자체의저항도증가하며문제가발생했을때이를수정하는일도보통어려운일이아니었습니다. 1950년대엔지니어들은이처럼 수의횡포 앞에서더나아갈수없었습니다. 대규모전자장치를동시에소형화하여신뢰성을높이기위해서는전자부품들을서로접속하여종합적인전자회로를구성하기위한획기적인수단이필요하게되었습니다. 전기회로를압축적으로만들려는시도는이전부터있었습니다. 구리를입힌플라스틱판위에전기소자들을새겨넣는방법이나, 프린트회로위에트랜지스터와다른소자들을조립해진공관과비슷한소켓에집어넣는방식도제안되었습니다. 이런시도들은수백, 수천개의전자소자를필요로하는컴퓨터나유도미사일과같은군사장비들이개발되면서더욱증가하였지만별다른성과를얻지못했습니다. 게다가수많은전자소자들을일일이손으로연결하는일은너무어려울뿐만아니라작업과정에서오류가발생하는일이빈번해첨단장비를개발하기에는역부족이었습니다. 이런상황에서 1952 년영국왕립레이더시설에근무하던제프리더머 (Geoffrey W.A. Dummer, 1909~2002) 는워싱턴에서열린한학회에서반도체웨이퍼위에회 로를새겨넣는방법에관한논문을발표했습니다. 그는트랜지스터와반도체기술 [ 반도체이야기 ] 10. 집적회로 (IC) 의발명 45

46 발달로전자소자들을전선에연결할필요없이고체블록하나에집어넣는것이가 능하다고발표했습니다. 그러나더머의아이디어는영국정부에서전자분야에대한 관심이낮아아무런지원을받지못해실현되지못했습니다. 한편, 미국의벨연구소에서는 1950년대중반에사진석판기술 (photolithography) 등향상된반도체관련기술을활용해단하나의실리콘웨이퍼에 4개의트랜지스터를연결하는데성공했습니다. 4개의트랜지스터로만든이특수회로는 AT&T사에서전화장비로활용했습니다. 여러개의트랜지스터회로가단일실콘웨이퍼에 집적 되었다는점에서집적회로의선조라고할수있으나, 오늘날우리가알고있는집적회로와는형태가달랐습니다. IC( 집적회로 ) 의탄생 당시엔지니어들이구상하던복잡한회로를현실화하려면두가지난제를해결해야했습니다. 첫째는하나의작은기판위에모든구성요소들을어떻게올려놓을것인가, 둘째는수많은구성요소들을도대체어떤방법으로연결할것인가였습니다. 이두문제는모두이전과는근본적으로다른접근방법이필요했고킬비는첫번째질문에서, 노이스는두번째질문에서출발하여집적회로를탄생시켰습니다. < 잭킬비와로버트노이스 > 집적회로의개념은영국의더머에의해처음제시되었지만, 이것이보다구체화되어진것은 1958 년 TI 사의킬비에의한아이디어였습 니다. 텍사스인스트루먼트 (Texas Instruments) 의잭킬비 (Jack St. Clair Kilby, ) 는게르마늄칩위에게르마늄저항기와축전기를포함한서너개의중요부품을최초로집적하는데성공했습니다. 이것이바로여러개의전자소자 ( 트랜지스터, 저항, 코일등 ) 를전선을사용하지않고한기판에그기능별로집적 (Integrated) 시킨직접회로의시초였습니 [ 반도체이야기 ] 10. 집적회로 (IC) 의발명 46

47 다. 최초의집적회로는 6개의트랜지스터로구성되었습니다. 킬비는칩위의부품들을미세한금선으로상호연결시켰는데일일이손으로작업을해야했기때문에대량생산이불가능한단점을가지고있었습니다. 하지만그가발명한 IC회로는손톱만한크기의칩속에방대한정보를집적할수있는토대를마련하는계기가됐습니다. 킬비는 1964년관련특허를인가받는데업계에선이를킬비특허 (Kilby patent) 라고부릅니다. 집적회로에관한가장기본적인특허를의미합니다. 킬비는이발명으로헨리포드와에디슨, 라이트형제와어깨를나란히하며미국발명가명예의전당에이름을올렸습니다. 또한, 이에대한공로로킬비는 2000년노벨물리학상을받았습니다. 이와비슷한시기에페어차일드세미컨덕터 (Fairchild Semiconductor Corporation: 인텔의전신 ) 의로버트노이스 (Robert Norton Noyce, 1927~1990) 역시집적회로의원형을발명, 1961년상업화에성공하였습니다. 노이스가연구하던방법은다수의반도체소자들을알루미늄선으로연결한회로를실리콘위에심는것으로, 킬비의방법과흡사했습니다. 그러나앞선것이있었습니다. 킬비는일체형으로만든다는아이디어에는도달했지만그때까지도연결방법은모호한상태로남아있었습니다. 반면노이스는연결방법을정립한일체형아이디어에도달해있었습니다. 이점이이후벌어지는법정투쟁에서노이스에게유리하게작용하였습니다. 노이스는이렇게만든통합회로로 1961년에특허를획득했지만, 그직후텍사스인스트루먼트사와이특허에대한분쟁을벌이게되었습니다. 본인들보다는텍사스인스트루먼트, 페어차일드두회사가나서서 누가먼저냐 를가리기위해 10 년동안의공방을벌였지만그결 말은훈훈했습니다. 대법원은최종적으로노이스의손을들어주지만그전에두회사는서로의권리를인정하고특허를공유하는 ' 크로스라이센스 ' 에합의했습니다. [ 반도체이야기 ] 10. 집적회로 (IC) 의발명 47

48 기술적인측면에서두기술을비교하면킬비는 ' 하나의칩에많은전기소자를집적하여디바이스를만들수있다 ' 는개념을최초로만들었고, 노이스는그러한개념을현실화시켜상용화하는데기여한발명을한것이었습니다. 킬비의발명은노이스의노력이없었다면하나의개념으로만남을수있었습니다. 법적인판단이야어떻든과학사에는집적회로의발명자로두사람이등재돼있습니다. 노이스는나중에무어와함께인텔을설립해반도체혁명을이끌었고킬비는 2000년노벨물리학상을받았습니다. 노이스는 1990년사망해이영예를누리지못했지만킬비는수상연설에서집적회로발명에대한그의공로를잊지않았습니다. 집적회로아이디어는여러엔지니어에게퍼져라디오증폭장치나텔레비전, 폴라로이드등에응용됐습니다. 이렇게다양한형태의집적회로들이개발되면서컴퓨터뿐만아니라라디오, 텔레비전, 카메라등과같은다양한전자제품의성능이향상되고소형화될수있었습니다. 집적회로는미국국방성의대대적인후원덕분에개발되었지만, 결과적으로가정에서다양한전자제품을일상적으로사용할수있게하는데이바지했습니다. [ 반도체이야기 ] 10. 집적회로 (IC) 의발명 48

49 [ 반도체이야기 ] 11. 집적회로 (IC) 의종류 :40 [ 반도체이야기 ] 1 1. 집적회로 (I C) 의종류 집적회로 (Integrated Circuit : IC ) 는트랜지스터, 저항, 콘덴서, 다이오드등많은회로부품이하나의기판위에분리할수없는 형태로결합되어있어전기회로내에서특정한기능을수행하도록만든회로부품들의집합체입니다. 집적회로의분류 집적회로는여러가지의기준에의해분류할수있는데이에대하여알아봅시다. (1) 구성기술에의한분류 있습니다. 집적회로는제조공정과기능에따라막 ( 膜 ) 집적회로, 모놀리식 (monolithic) 집적회로, 하이브리드집적회로등으로분류할수 대체로모노리식 IC 가동일한회로가많은디지털회로에적합하다면, 하이브리드 IC 는높은정밀도가요구되는아날로그회로 에어울립니다. 1 막 ( 膜 ) 집적회로 : 절연물의기판위에도체 저항체 유전체등을막모양으로형성해소자를만들어상호배선 ( 配線 ) 한것이막집적회로인데, 저항이나콘덴서의상호배선의도체패턴을만드는막의구조및제조방법에따라박막 ( 薄膜 ) 과후 막 ( 厚膜 ) 의 2 가지로나뉩니다. 박막은보통 0.1 μm이하의금속박막으로패턴을만들고, 후막은 10 μm정도두께의패턴을페이스트모양으로만들어진재료 로스크린인쇄하여만듭니다. 박막은포토에칭방법으로미세한패턴이만들어지므로집적도는높아지나, 공정이복잡한 데다가표면이평탄한기판을사용하게되어소비전력이낮아집니다. 후막 IC 패턴은인쇄로만들어지므로공정은간단하나 정밀도에한계가있으므로집적도가높지못합니다. 막집적회로는집적도 ( 集積度 ) 는낮지만비교적대전력 ( 大電力 ) 을취급하는저항이나축전기를만드는데적합하며, 소량다 품종생산에서도비교적경제적입니다. 2 모놀리식 (monolithic) 집적회로 : 하나의실리콘기판위또는기판내에모든회로소자와상호접속부분을형성한 반도체집적회로. 일반적으로집적회로 (IC) 라고하면이모놀리식반도체집적회로를말합니다. 소형 경량이고집적도 와신뢰도가높으며, 대량생산이가능하여가격이저렴합니다. 3 하이브리드 (hybrid) 집적회로 : 혼성 ( 混成 ) 집적회로라고도하는데, 막 ( 膜 ) 집적회로에반도체소자와개별적수동회로 ( 受動回路 ) 부품을합쳐서전자회로를구성시킨것으로즉, 2 종류이상의 IC 를조합한것이나독립된회로부품과 IC 를조합 한것을말합니다. 대전력회로, 고정밀도회로, 초고주파회로의실현에사용됩니다. (2) 능동소자에의한분류 집적회로를구성하는능동소자에따라바이폴러 (bipolar) 집적회로와유니폴러 (unipolar) 집적회로로구분합니다. [ 반도체이야기 ] 11. 집적회로 (IC) 의종류 49

50 1 바이폴러 (bipolar) 집적회로 : 바이폴러형 IC는원리적으로는보통의접합형트랜지스터 (BJT) 를그대로집적한것으 로생각하면됩니다. 전자와정공의 2 종류의극성 ( 極性 ) 을가진전하가그작용에관여하므로, 'bi( 양 )-polar( 극성 )' 즉, ' 양 극성 ' 이라고불립니다. 소비전력은약간많으나고속으로작동하는장점이있습니다. 바이폴라형은주로고속논리회로나리 니어회로 (linear circuit) 에쓰이고있습니다. 논리회로의구성형태에따라서 RTL, DTL, TTL, ECL 등의구분이있습니다. 2 유니폴러 (unipolar) 집적회로 : 단극성의유니폴러형은주로전기장효과를이용하는 MOS형으로제작되기때문에 'MOS 형 ' 이라고생각해도됩니다. MOS형 IC는특별히고속을요하지않는고집적도IC(LSI) 에널리쓰이고있습니다. MOS 형은바이폴라형 IC 에비해스위칭속도가낮고, 정전기에의해파손되기쉬우나, 그외의성능, 양산성, 경제성등이 뛰어나서계산기, 카운터 ( 계수기 ), 계측기등에널리이용되고있습니다. 정공을이용하는트랜지스터만을사용한금속산화 막반도체 IC를 PMOS 형 IC, 전자를이용하는트랜지스터만을사용한 IC를 NMOS 형 IC, 2가지트랜지스터를혼용한 IC를 CMOS 형 IC라고합니다. (3) 규모에따른분류 집적도가높은반도체집적회로에서는속에포함되는다이오드 트랜지스터등의소자의수에따라 SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI 등으로나뉩니다. 1 SSI(small scale IC, 소규모집적회로 ) : 100개이하. SSI는복잡하지않은디지털 IC 부류로, 기본적인게이트기능과 플리플롭이이부류에해당합니다 2 MSI(medium scale IC, 중간규모집적회로 ) : 100~1000개. MSI는좀더복잡한기능을수행하는인코더 (encoder), 디 코더 (decoder), 카운터 (counter), 레지스터 (register), 멀티플렉서 (multiplexer) 및디멀티플렉서 (depultiplexer), 소형기 억장치등의기능을포함하는부류입니다. 3 LSI(large scale IC, 고밀도집적회로 ) : 1,000~10,000 개. LSI는메모리등과같이한칩에 1,000~10,000 개에이르는등 가게이트를포함하는부류입니다. 4 VLSI(very large scale IC, 초고밀도집적회로 ) : 10,000~1,000,000 개. 대규모메모리, 대형마이크로프로세서, 단일칩 마이크로프로세서 (single-chip microprocessor) 등을포함합니다. 5 ULSI(ultra large scale IC, 초초고밀도집적회로 ) : 1,000,000 개이상. 예를들어, 인텔의 486이나펜티엄이 ULSI에해 당합니다. 그러나 VLSI 와 ULSI 의정확한구분은확실하지않고모호합니다. (4) 용도등에따른분류 집적회로를사용하는용도에따라일반적으로나누면, 연속적인양을다루는아날로그집적회로, 수에대응한이산 ( 離散 ) 값의신 호를다루는디지털집적 회로, 연산 ( 演算 ) 을실시하는연산집적회로, 정보를기억하는메모리집적회로등이있습니다. 1 아날로그집적회로 (Analog IC) : 아날로그 IC는 ' 리니어 (linear) IC', ' 선형IC' 라고도하며, 입력량에대응하여출력량 이선형인특성을가지며값이시간적으로연속되는전기신호의증폭, 발진, 변환, 연산, 필터링등의기능이있는집적회 로를의미합니다. 아날로그 IC에는연산증폭기 (Operational amplifier, OP-Amp), 신호발생기 (Signal Generator), 컨버터 (Converter), 레귤레이터 (Regulator) 등이있습니다. 2 디지털집적회로 (Digital IC) : 집적회로에서처리하는신호의전압범위가선형적이지않는온 오프의디지털형태를 띄는 IC를말하며, ' 논리형 ( lo gic) IC ' 라고도합니다. 여러가지의논리 I C 중가장보편적으로사용되는것은 TTL(Transistor and Transistor Logic) 과 C MOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 의두가지입니다. 3 메모리집적회로 (Memory IC) : 메모리칩은 2진신호를저장시키는집적회로로서기억내용의변경이자유로운 RAM(random access memory) 과기억내용의변경이불가능한 ROM(read only memory) 이있습니다. 메모리반도체 [ 반도체이야기 ] 11. 집적회로 (IC) 의종류 50

51 는모두 MOS 로셀을구성합니다. [ 반도체이야기 ] 11. 집적회로 (IC) 의종류 51

52 [ 반도체이야기 ] 12. 반도체집적회로 (IC) 의발전 :47 [ 반도체이야기 ] 1 2. 반도체집적회로 (I C) 의발전 트랜지스터의보편화와 IC의출현은휴대용전자제품의시대를열어주었습니다. 1954년최초의휴대용트랜지스터라디오 ( 한때휴대용라디오를 " 트랜지스터 " 라고불렀음 ) 가개발되고, 1967년에는최초의휴대용계산기가 Kilby에의하여만들어졌습니다. 트랜지스터가전자제품에응용되기시작한 1950년대를거쳐초보적인 IC가등장한 1960년대는소형또는휴대용전자제품의전성기였습니다. 킬비와노이스에의해집적회로가발명된이후반도체집적회로는눈부시게발전해왔습니다. 매년더작은면적에더많은개수의소자를집적하기위한노력이끊임없이이어져왔습니다. 반도체집적회로기술의발전 1960 년대와 1970 년대는 1950 년대말개발된직접회로개념이발전되고집적회로의제품이증가한시기였습니다. 회로를소형화함으 로써시스템의신뢰성을증가시키려는요구는집적회로의촉진제역할을하였습니다 년대에는바이폴라트랜지스터와수동소 자를집적하는바이폴라집적회로가주류를이루었습니다. 바이폴라 IC는초창기의 RTL(Resistor transistor logic) 회 로, DTL(Diode Transistor Logic) 회로등의여러단계의시행착오를거쳐 TTL(transistor-transistor logic) 과 EC L(emitter- L coupled logic) 이라는회로기법을사용한논리회로가디지털회로의주류로자리잡게되었습니다. 한편으로는연산증폭기 (operational amplifier) 와같은아날로그집적회로가개발되기도하였습니다. 집적도가증가함에따라바이폴라트랜지스터의문제 점이드러나기시작하였습니다. 바이폴라트랜지스터는금속 - 산화물 - 반도체전계효과트랜지스터 (metal-oxide- semiconductor field effect transistor, 이하 MOS-FET) 보다제조공정이복잡할뿐아니라트랜지스터와트랜지스터를격리하기위해넓은면적 이낭비되는문제를안고있었습니다. [ 반도체이야기 ] 12. 반도체집적회로 (IC) 의발전 52

53 1926 년릴리언필드 (Julius Edgar Lilienfeld, 1882~1963) 가최초의전계효과트랜지스터구조에관한특허를출원한이후로많은사 람들이 MOS-FET 의가능성을알고있었으나이를구현하는데는많은시간이필요했습니다. MOS-FET 은반도체표면에서동작 이일어납니다. 따라서반도체표면 의결함, 나트륨 (Na) 이온등의불순 물에의한오염문제가소자성능에 심각한문제를일으켰습니다. 하지만 반도체소자에대한이해가증가하고 반도체제조공정이발전함에따라 곧 MOS-FET 의제조기법이자리를 잡기시작하였습니다. 오늘날전자공학에서중요한요소인 MOS-FET 구조는 1960 년에 < 벨연 구소 (bell lab)> 의한국인강대원 ( 姜 大元, 1931~1992) 과마틴.M 아탈 라 (Martin Mohammed John Atalla) 에의해발표되었으며 1963 년 에 CMOS 공정기술이소개되었습니다. 이후많은개발노력에의해 1964 년말에페어차일드반도체와 RCA 사에의해 MOS-FET 가 상업적으로생산되었습니다. 처음에는알루미늄을게이트 (gate) 물질로사용한금속게이트 MOS-FET 이만들어졌으나곧다결정 실리콘 (polysilicon) 을게이트물질로사용한실리콘게이트 MOS-FET 공정기술이개발되었습니다. 실리콘게이트 NMOS(n-type MOS) 기술은 1970 년대와 1980 년대초반기의 LSI(large scale integration) 와 VLSI(very large scale integration) 시대의주류기 술로서반도체기술의발전을주도하였습니다 년대에들어한칩에집적되는트랜지스터의개수가백만개를넘어서자 NMOS 기술의한계가나타나기시작하였습니다. NMOS 기술은논리회로를구현하는데필요한소자의개수가작은대신많은전력을사용하는단점이있었는데집적되는트랜지스 터의개수가백만개를넘어서면서전력소모에따른과열이가장큰문제로등장하게된것이었습니다. 이에따라 NMOSFET 과 PMOSFET을상보적으로사용하여전력소모를획기적으로줄이는 CMOS (Complementary MOS) 기술이사용되기시작하였으며 현재반도체집적회로의핵심기술로자리잡고있습니다. [ 반도체이야기 ] 12. 반도체집적회로 (IC) 의발전 53

54 무어의법칙 (Moore' s law) 노이스와함께페어차일드반도체사 를창업하였으며이후함께인텔을 공동창립하였던고든무어 (Gordon Earle Moore) 는 1965 년 'Electronics' 라는잡지에앞으로 10 년간반도체기술이어떻게발전할 것인가에대한글을실었습니다 년페어차일드에서최초의평면 공정을이용한트랜지스터를개발한 시점을시작으로 1960 년대초페어차 일드에서개발한몇몇집적회로에 집적된소자의수를분석한결과매 년한칩에집적되는소자의개수가 약 2 배로증가하는경향이있음을발견하였습니다. 그는이분석을토대로하여 1975 년에는 65,000 여개의트랜지스터가내장된집적 회로가나올것이라고예측하였습니다. 이처럼반도체칩내에집적되는트랜지스터의개수가일정한기간 ( 약 18 개월 ) 마다 2 배로증 가한다는법칙을 ' 무어의법칙 (Moore's Law)' 이라고합니다. 인텔은현재까지도무어의법칙을지키려고노력하는중입니다. "The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year... Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least 10 years. That means by 1975, the number of components per integrated circuit for minimum cost will be 65,000. I believe that such a large circuit can be built on a single wafer." 부품제조비용이최소가되는복잡함은해마다대략 2배의비율로증가해왔다. 단기적으로는이증가율이올라가지않아도, 현상을유지하는것은확실하다. 적어도앞으로 10년동안거의일정한비율을유지할수없다고믿을이유는없으나보다장기적으로는증가율은조금불확실하다. 이말은 1975년까지는최소비용으로얻을수있는집적회로의부품수는 65,000 개에이를것이다. 나는그만큼에도대규모회로가 1 개의회로판위에구축할수있을거라고믿는다 년 4 월 19 일, 일렉트로닉스 ( 잡지 ) 에실린논문 "Cramming more components onto integrated circuits" 그러나지금의반도체기술에는무어의법칙이모순되는변화를알수있습니다. 셀크기변화에대한무어의법칙으로는세대마다셀크기가 0.4배씩작아지는칩의요구를수용하지못함을알수있습니다. 매년증가하는반도체시장크기의증가율보다반도체공장건설비증가율이큼으로서경제성확보에한계가있음을보여줍니다. 이것을 무어의패러독스 라고합니다. [ 반도체이야기 ] 12. 반도체집적회로 (IC) 의발전 54

55 무어의법칙과비교되는 ' 황의법칙 (Hwang's Law)' 도있습니다. 황의법칙은삼성전자의기술총괄사장이었던 ' 황창규 ' 교수가제시한이론 입니다 년 2 월미국샌프란시스코에서열렸던 ISSCC( 국제반도체회로학술회 의 ) 에서그는 ' 메모리신성장론 ' 을발표하였는데, 무어의법칙과달리메 모리반도체의집적도가 1 년에두배씩늘어난다는이론이었습니다. 그는 이에맞는제품을개발하여이론을입증하는데성공하였습니다. 이후 2008 년에삼성이 128GB 짜리 NAND 플래시메모리를발표하지않음에따라법 칙이깨졌습니다. 반도체메모리와마이크로프로세서의개발 집적회로의기술적인장점은전자회로의소형화, 경량화, 고신뢰성, 고성능, 및저가격화에있지만이런장점을부각시키기위해서는 성능면에서허용되는한개의칩내에만들어지는소자의수가많으면많을수록좋은것은당연한것입니다. 따라서, 집적회로도 SSI 에서 MSI, LSI 를거쳐 VLSI, ULSI 로발전해왔습니다. 여기에곁들여서집적회로로실현시키는대상도처음에는소규모의전자 회로에서시스템으로이행되어왔습니다 년대에칩당 20 게이트가집적된 SSI 급 IC 에서 1962 년 TTL(Transistor transistor Logic) IC 가개발되었습니다 년후반에칩당 20~200 개의게이트가집적된 MSI 급 IC 로발전했으며 1968 년 MOS 메모리회로가 도입되었습니다 년대에는칩당 500 게이트이상의 VLSI 급 IC 시대가시작되었습니다 년 1Kb 의기억용량으로부터출발한컴 퓨터기억장치의핵심인 DRAM(Dynamic RAM) 은이후고도의집적화와속도를개선하기위한방향으로발전되어 FPMRAM EDORAM SDRAM RDRAM DRDRAM DDR SDRAM DDR2 SDRAM DDR3 SDRAM 의순서로개발되어 왔습니다. 약 30 년이지난 2000 년대에는 100 만배정도의집적도를가지는 1Gb 수준에이르게됩니다. [ 반도체이야기 ] 12. 반도체집적회로 (IC) 의발전 55

56 반도체메모리산업은초기미국반도체산업의태동을시작으로미국기업의쇠락과일본기업의약진과패퇴, 한국 D 램업체의급부 상의과정을거치며세계메모리반도체시장의헤게모니는 ' 미국 일본 한국 ' 으로이어져왔습니다. 인텔이 D 램시장에서물러나던 시점인 1983 년과 1984 년에한국에서삼성전자와현대전자, LG 반도체가잇따라 D 램시장에진출한시기였습니다. 그후 10 년후인 1992년세계 1위인일본도시바를제친다크호스가등장했습니다. 그다크호스인삼성전자는 1992년부터 2012년까지 20 여년동안 세계메모리분야의 1위자리를내주지않고있습니다. 1968년 Gordon Moore와 Robert Noyce는컴퓨터의두뇌인 CPU 칩의대명사인 INTEL(Int Integrated e lectronics) l 사를설립하게 되며, 1971년 Ted Hoff는 2,300개의트랜지스터를사용한마이크로프로세서 (INTEL 4004) 를개발하였습니다. 현대적 IC 개발전쟁은 1970 년경부터본격적으로시작되었습니다. 컴퓨터하드웨어 (H/W) 의발전과때를같이하여 1975 년 Bill Gates 와 Paul Allen은소프트웨어 (S/W) 전문업체인 Micro so ft 사를 [ 반도체이야기 ] 12. 반도체집적회로 (IC) 의발전 56

57 설립하였으며, 마이크로프로세서의발전으로 1977 년에 MOS 테크놀로지사의 MOS 6502(8bit) MPU를채택한 Apple p II 가, 1981 년에는인텔의 8088 CPU를장착한 IBM PC 가출시되면서정보사회의개막을예고하게됩니다. 컴퓨터 H/W와 S/W의 비약적인발전에힘입어 1989 년에개통된 World Wide Web(WWW) 은전세계를하나의시공간으로묶어줌으로서, 인터넷에의한 초고속정보통신사회로의전환에결정적인역할을하게됩니다. MOS 기억소자의개발과전자계산기의 'All in one' 칩화 ( 마이크로프로세서 ) 는 VLSI 로가는길을단축하는전기를마련하였습니다. 그리고프로그램이가능한마이크로컴퓨터의등장은컴퓨터산업의새로운전기를맞이하는시기였으며, 응용프로그램의발달로 마이크로컴퓨터를기초로한컴퓨터는현대의개인용컴퓨터, 그리고통신과의연결에의한멀티미디어의세계로발전하는전기를 맞이한것이었습니다. 초기마이크로컴퓨터도입의배경으로는첫째, 전자계산기의성공에따른디지털기술의발전, 둘째, MOS 기술발전과이를기본으 로한 MOS 기억소자개발그리고셋째, 미니컴퓨터발달로적당한컴퓨터구조론의이해와버스연결방법의개발및충분한시장의 성숙을들수가있습니다. 인텔이경험이전무한마이크로컴퓨터산업에뛰어든것은이러한환경이있었기때문이며, 기존의 Mini computer 시장에만관심이있었던것이아니고, 새로운시장을창출하는모험정신이있었기때문입니다. 반도체는소자에서시스 템에이르는현대전자공업의핵심역할을하게되었습니다. 초고집적마이크로프로세서와메모리칩 IC 는전기밥솥과같은간단한가전제품에서부터 TV/VCR, 자동차, 비디오 / 카메라, 의료진단 기기 (CT, MRI 등 ), 인공위성, 수퍼컴퓨터에이르기까지모든장치를자동화 / 지능화시키고휴대용계산기 / 수첩, 노트북컴퓨터, 핸 드폰등일상생활용품을소형화시킴으로서, 우리가알지못하는사이에우리생활을엄청나게변화시키고있습니다. 집적회로 (IC) 에대하여설명한동영상을볼까요? utu.b e/usric-segpw [ 반도체이야기 ] 12. 반도체집적회로 (IC) 의발전 57

58 [ 반도체이야기 ] 13. 반도체의활용과제조공정 :21 [ 반도체이야기 ] 1 3. 반도체의활용과제조공정 우리일상생활속, 깊이자리잡고있는반도체는어떤역할을할까요? 반도체는전자제품부터모바일, 전장분야까지다양한부문에서활용되고있는데요. 이에대해서알아보려고합니다. 반도체의활용 반도체를활용하는분야를크게보면, 전기신호를처리하는 용도와데이터를처리하는용도로나누어볼수가있습니 다. < 전기신호의처리 > - 정류, 증폭, 변환 1 정류 ( 整流 ) 우리가사용하는전기에는두가지종류가있습니다. 항 상일정한전압으로일정한방향으로흐르는직류 (direct current, DC) 와주기적으로방향이변하는교 류 (altemating current, AC) 가있는데요. 전기신호를 처리하다보면직류를교류로또는교류를직류로바꿔 주어야하는경우가생깁니다. 우리는이러한작용을정 류 (rectification) 라고부르는데요, 일반적으로정류작용을하는반도체를 ' 다이오드 ' 라고합니다. 일반가정에서사용하는 220V 전기 는교류신호로 60Hz(1 초에 60 회진동 ) 의주파수를가지고있습니다. 그래서, 전자제품에사용하기위해서는교류신호를일정전압 (Voltage) 의직류신호로변경해주어야합니다. 2 증폭 ( 增幅 ) 전기신호는이동하면서신호의세기가점점약해지게됩니다. 그래서, 정상적으로전기신호를전달하기위해서는이동중에원상태 또는보다크게해주는작업이필요합니다. 이처럼약한신호를강한신호로키워주는것을증폭이라고하는데요. 이러한증폭작용 을하는반도체가 ' 트랜지스터 (TR)' 입니다. 3 변환 ( 變換 ) 전기신호는필요에따라빛이나소리등으로바꿔줄필요가있습니다. 최근저전력, 친환경적이기때문에신성장동력으로각광받고 있는 'LED' 도반도체입니다. LED 램프뿐아니라지하철이나고속도로에서볼수있는전광판에쓰이는 LED 는전기신호를빛으로 바꿔주는역할합니다. 이러한기능의반도체를 ' 발광소자 ' 라고하는데요, 반대로빛을전기신호로바꿔줄수도있습니다. CCD, CIS 반도체는카메라로읽어들인빛을전기신호로바꿔저장하는역할을수행합니다. [ 반도체이야기 ] 13. 반도체의활용과제조공정 58

59 < 데이터의처리 > - 전환, 저장, 연산, 제어 1 전환 ( 轉換 ) 정보 (Data) 에는그값에따라아날로그 (Analogu) 와디지털 (Digital) 로나뉩니다. 아날로그데이터는연속적인값을의미하는반면, 디지털데이터는이산적인값을취하는데요, 디지털데이터는불연속적인상태로즉 1(ON), 0(OFF) 만의값을가집니다. 정보를처 리하다보면아날로그를디지털로또는디지털을아날로그로바꿔주어야할경우가있는데요, ' 아날로그 디지털 ' 같은정보의상 태를전환해주는역할또한반도체가하고있습니다. 2 저장, 기억 반도체는정보를프로그램화해서저장할수있으며, 이러한정보를저장하는용도로사용되는반도체를 ' 메모리반도체 ' 라고합니 다. 메모리는정보를저장 보관하고필요한시점에서빼낼수있는장치인데요. 이러한저장과기억또한반도체가수행하는기능 중하나입니다. 요즘각광받고있는 SSD 는디스크에내용을저장하는기존하드디스크 (HDD) 와달리 ' 반도체칩 ' 을이용하여자료를 저장하여부팅이나멀티태스킹에서빠른스피드를자랑하는저장장치입니다. 3 연산, 제어 반도체에는기억및저장기능을하는메모리반도체뿐아니라, 논리와연산, 제어기능등을수행하는시스템 LSI 가있습니다. PC 가나오기전, 편리한사용감과빠른속도로전자계산기가널리사용되었는데요, 바로이전자계산기안에서수치정보를계산하는데 사용되는반도체 IC 를 ' 논리 IC' 라고합니다. 또한, 시스템 LSI 는제어기능도수행하는데요, 기계나설비가정해진순서에따라동 작하도록해주는것을제어라고합니다. 이런작동순서를프로그램화하여반도체 IC 에기억시켜두면그순서에따라장비나작업을 자동으로제어할수있게되는데, 이러한반도체를 ' 마이크로프로세서 ' 라고합니다. 반도체의종류 우리가일반적으로반도체라고하는것은반도체물질을말하는것보다는완성된전기소자로서의반도체부품을말하는경우가많습니다. 반도체부품을크게나누어보면메모리반도체와비메모리반도체 ( 시스템반도체 ) 로나눌수있습니다. 메모리반도체는말그대로정보 (Data) 를저장할수있는반도체를말합니다. 비메모리반도체는정보를저장할수는없고연산이나제어기능을하는반도체모두를말합니다. 메모리반도체와비메모리반도체의종류는아래의표와같이구분합니다. [ 반도체이야기 ] 13. 반도체의활용과제조공정 59

60 현재우리나라는삼성전자가세계 DRAM 시장에서 40% 이상차지하는등메모리분야에서는압도적경쟁력을보유하고있습니다. [ 반도체이야기 ] 13. 반도체의활용과제조공정 60

61 하지만시장규모가 D 램대비 5.8 배이상인시스템반도체분야에서는아직시장을주도할위치에있지못합니다. 세계시스템반도체 업계는미국인텔ㆍ텍사스인스트루먼트ㆍ퀄컴, 일본도시바등이주도하고있습니다. 삼성전자는메모리분야에서는 1 위자리를굳 혔지만시스템반도체와메모리를합친전체반도체시장에서는인텔에이어 2 위에그치고있습니다. 반도체제조공정 [ 반도체이야기 ] 13. 반도체의활용과제조공정 61

62 반도체부품이만들어지는제작공정은생각보다많은과정을거치게됩니다. 크게는 8 단계의공정으로, 세분해서살펴보면 18~19 단계의공정으로볼수있습니다. 이러한공정을이해하기쉽게그린그림을소개하며각각의자세한공정에대해서는아래에소개하여둔사이트를방문해서알아보 도록합시다. [ 반도체이야기 ] 13. 반도체의활용과제조공정 62

63 [ 반도체이야기 ] 13. 반도체의활용과제조공정 63

64 [ 삼성반도체이야기 ] : SK 하이닉스블로그 [ 반도체 WHAT 인포툰 ] : [ 반도체이야기 ] 13. 반도체의활용과제조공정 64

65 [ 반도체이야기 ] 13. 반도체의활용과제조공정 65

66 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 :53 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 66

67 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 67

68 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 68

69 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 69

70 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 70

71 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 71

72 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 72

73 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 73

74 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 74

75 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 75

76 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 76

77 < 특별부록만화 > 만화로보는반도체이야기 77

78 [ 반도체이야기 ] 블로그 저자 다솜비망록 똘이아빠 발행일 :06:37 저작권법에의해한국내에서보호를받는저작물이므로무단복제와전재를금합니다.