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개정신판도해반도체가이드 Color and Visual Guide: Semiconductors Published by TOSHIBA CORPORATION Semiconductor Company Electronic Devices Sales & Marketing Division 1-1, Shibaura 1-Chone, Minato-ku, Tokyo 105-8001 Japan http://www.semicon.toshiba.co.jp/ Copyright 2008 by Toshiba Corporation "Rambus" 는미국 Rambus Inc. 의등록상표입니다. 발간에즈음하여 반도체는급속한기술발전과대량생산확대에의하여반도체를사용하지않는제품은없다고할정도로우리들생활의구석구석에까지이용되고있습니다. 21세기를맞이하여문자, 음성, 영상의디지털화및네트워크에의한정보통신의발달은새로운편리성을만들어냈으며여기에는반도체의발전없이는생각할수없습니다. 반도체는최첨단과학분야에서성과를거두었으며미세화프로세스기술이나설계기술을진전시켰고, Gbit급메모리와 128bit 마이크로프로세서도실용화단계에있습니다. 또한각종디바이스구조를단일칩에혼재하는기술, 저소비전력기술, 복잡한대규모기능설계기술도개발되어전자기기의기본적인기능을단일칩에실장한시스템 LSI가이용되기시작했습니다. 반도체산업은끊임없이변화하는시황속에서도새로운응용기기의필요성을개척하며산업의중심에서앞으로도계속발전할것입니다. 또이러한요구에부응하기위하여새로운동작원리, 소재, 구조, 회로등의발전이더욱가속화될것으로예상됩니다. 이책에는이와같은내용에대한특별한지식이없는독자도쉽게이해할수있도록반도체에관한일반적인해설을담았습니다. 지면상이한정되어있기때문에충분한내용이라고는할수없지만이책을읽는많은분들에게도움이되기를바랍니다. Printed in Korea 2006 년 10 월 The Semiconductor Company of Toshiba Corporation Engineering Planning Division/e-Business Creation Department 2 3
목차 목차 반도체란 가시 LED의종류와용도 48 레이저다이오드 50 OP 앰프, 콤퍼레이터 106 AD, DA 컨버터 108 반도체약어집...151 색인...161 반도체의물리적특성과전기적특성 6 수광디바이스 52 전원용 IC 110 반도체재료 7 CCD 이미지센서 54 트랜지스터어레이 112 진성반도체와자유전자, 정공 8 CMOS 이미지센서 55 모터드라이버 IC 113 불순물을첨가한반도체와전자 포토커플러 56 고주파용 BiCMOS IC 114 및정공 9 포토릴레이 58 디스플레이용드라이버 IC 115 드리프트전류와확산전류 10 PN 접합과전위장벽 11 포토인터럽터 59 광통신용디바이스 (OCD) 60 반도체프로세스기술 PN 접합의전압과전류특성 12 로직 IC 62 복합소자기술 118 MOS( 금속산화막반도체 ) 구조 13 CMOS 와인버터회로 64 화합물반도체 121 불순물의선택적확산 14 범용로직 (CMOS) 66 미세화기술 122 산화막 (SiO 2) 16 Si 단결정제작 18 마이크로컴퓨터 68 CISC와 RISC 69 반도체어셈블리 실장기술 를만드는방법 19 마이크로프로세서유닛 (MPU) 70 반도체어셈블리 실장기술 124 Micro Peripheral(MPR) 71 마이크로컨트롤러유닛 (MCU) 72 반도체패키지 126 반도체패키징기술의전개 : 22 마이크로컴퓨터개발시스템 74 MCP/CSP/SiP 128 다이오드의종류와용도 24 고속스위칭다이오드 26 시스템 LSI 76 DSP 78 설계기술 정전압다이오드 ( 제너다이오드 ) 28 ASIC 80 설계기술 130 고주파다이오드 29 ASIC 제품개발흐름 82 차세대반도체기술 134 트랜지스터의종류와용도 31 바이폴라트랜지스터 32 IP 84 프로그래머블디바이스 반도체의응용 전계효과트랜지스터 (FET) 33 (CPLD/FPGA) 86 AV 기기의응용 136 고주파트랜지스터 35 복합소자기술과임베디드기술 88 휴대전화의응용 138 대전력트랜지스터 (Power MOSFET) 의 SoC 와임베디드기술 90 차량탑재기기용에이용되는대표적인 종류와용도 37 임베디드메모리기술 91 140 IGBT 39 SOI, IPD, BiCMOS 기술 92 가전기기의응용 142 사이리스터 (SCR) 와 반도체메모리 94 IC 카드의응용 144 트라이악 (TRIAC) 40 고전압ᆞ대전류사이리스터 43 RAM(Random Access Memory) 96 ROM(Read Only Memory) 100 반도체의신뢰성 반도체센서 44 아날로그 IC, 아날로그와 반도체의신뢰성 147 광 46 디지털혼재 IC 104 반도체와환경대책 149 발광다이오드 (LED) 의동작원리 47 4 5
반도체란 반도체란 반도체의물리적특성과전기적특성 반도체재료 반도체는구리나철과같이전기가통하기 실리콘 (Si) 과게르마늄 (Ge) 은널리알려진 쉬운 " 도체 " 와고무나유리와같이전기가 반도체재료입니다. 이러한원소는원소 통하지않는 " 절연체 " 의중간적인비저항을 주기표의제 Ⅳ 족에속하며최외각 ( 가장바깥 가지고있습니다. 이비저항 ( 比抵抗 ) 은다음의 쪽의궤도 ) 에 4 개의전자를가지고있습니다. 요인에의하여크게좌우됩니다. 또한실리콘이나게르마늄과같은단일원소 불순물의첨가 구성과는별도로 2 종류이상의원소화합물 (12) (13) (14) (15) (16) 온도 빛의조사 원자결합의결함 반도체도널리사용되고있습니다. GaAs 실리콘및게르마늄반도체실리콘 (Si) 의단결정에서는개개의원자가인접하는원자와전자를공유 ( 공유결합 ) 하여정연하게줄지어있습니다. 이러한단결정 ( 單結晶 ) 을이용하여미시적세계의양자역학효과이용이가능케되어가출현하게되었습니다. 화합물반도체반도체재료에는실리콘 (Si) 이외에제Ⅲ족및제Ⅴ족의원소화합물또는제Ⅳ족끼리의원소화합물도사용됩 원소주기율표 ( 일부 ) 니다. 예를들어 2개이상의원소를사용한반도체에는 GaAs( 갈륨비소 ), GaP( 갈륨인 ), AlGaAs( 알루미늄갈륨비소 ), GaN ( 갈륨나이트라이드 ) 또는 SiC( 실 리콘카바이트 ), SiGe( 실리콘게르마늄 ) 등이있습니다. 비저항에의한물질의분류 실리콘잉곳과웨이퍼 6 7
반도체란 반도체란 진성반도체와자유전자, 정공 불순물을첨가한반도체와전자및정공 제 Ⅳ 족원소의결정에제 Ⅴ 족 ( 최외각의전자가 진성반도체는제Ⅳ족 ( 최외각의전자가 4개 ) 의원소 (Si, Ge 등 ) 또는제4족과같은화합물 (GaAs, GaN 등 ) 로불순물이극히적은 5개 ) 원소를첨가하면자유전자가 1개생겨 N형반도체가됩니다. 제Ⅳ족원소의결정에제Ⅲ족 ( 최외각의전자가 As 반도체의결정을말합니다. 3개 ) 원소를첨가하면전자가 1개없어진자리가발생하여 P형반도체가됩니다. 진성반도체 N 형반도체 온도가충분히낮은경우, 원자최외각의전자 ( 속박 N 형은자유전자가전류의주된캐리어인다수캐리어가 전자 ) 는인접원자끼리결합시키는데사용되며자유로운캐리어는거의없습니다. 따라서진성반도체는고비저항입니다. 진성반도체 됩니다. 이러한자유전자를만드는원자를 " 도너 " 라고합니다. 도너는플러스로하전되어고정전하가됩니다. 정공도아주조금존재합니다 ( 소수캐리어 ). 자유전자 N 형불순물로사용되는원소 속박전자가열또는빛에의하여여기되면자유전자가 P: 인, As: 비소, Sb: 안티몬 N 형반도체 되어결정내를자유롭게움직일수있게됩니다. P 형반도체 B 정공 P 형은정공이전류의주된캐리어인다수캐리어가 속박전자가자유전자로되어없어진자리에인접한 Si 원자로부터전자가이동합니다. 또한인접한 Si 원자에새롭게발생한전자가없어진자리에인접한 Si 원자로부터전자가이동합니다. 이과정에서자유롭게계속이동할수있는자유전자와는달리인접하는원자 됩니다. 이러한정공을만들어내는원자를 " 억셉터 " 라고합니다. 억셉터는마이너스로하전되어고정전하가됩니다. 자유전자도아주조금존재합니다 ( 소수캐리어 ). 사이를다수의전자가한개씩이동합니다. 전자가 P 형불순물로사용되는원소 없어진자리의이동은마치플러스전하를가진입자가역방향으로이동하는것처럼움직이며정전하를 B: 붕소, In: 인듐 가지는캐리어 ( 정공 : 홀 ) 로서의역할을합니다. 자유전자와정공의움직임 P 형반도체 8 9
반도체란 반도체란 드리프트전류와확산전류 PN 접합과전위장벽 반도체속을흐르는전류에는드리프트전류와확산전류의두종류가있습니다. MOS형반도체에서는드리프트전류가, 바이폴라접합트랜지스터에서는확산전류가매우중요한역할을합니다. 접합전의 P형반도체에는억셉터 ( 음이온화원자 ) 와같은수의정공이, N형반도체에는도너 ( 양이온화원자 ) 와같은수의전자가존재하므로전기적으로중성입니다. 이러한 P형반도체와 N형반도체의접합부에는전위장벽이생깁니다. 드리프트전류보통의저항체와마찬가지로, 전압을가해서발생한전계에전자또는정공을전기적으로끌어들여서흐르는전류입니다. 전계효과트랜지스터 (FET) 속을흐르는전류는드리프트전류입니다. 확산전류 P형반도체와 N형반도체의접합에전압을인가하여, 드리프트전류 접합전은중성상태접합전의 P형반도체는같은수의억셉터 ( 음이온화원자 ) 와정공이, 또 N형반도체에는같은수의도너 ( 양이온화원자 ) 와전자가존재하며전기적으로중성입니다. 공핍층과전위장벽 P형과 N형반도체를접합하면 P형과 N형영역의정공 P 형반도체에서 N 형반도체로는정공을, N 형 및전자는서로의상대영역을향해확산을시작합니다. 접합전 반도체에서 P형반도체로는전자를주입하면, 전자와정공이열운동에의하여평균적으로밀도가높은주입영역에서낮은영역으로이동합니다. 이러한구조로흐르는전류를확산전류라고합니다. 바이폴라트랜지스터나 PN 접합다이오드에서는주로확산전류가제어합니다. 이때문에접합부부근에서는전자와정공의재결합이활발하게되어이동할수없는억셉터와도너만이남게됩니다. 이층을공핍층이라고합니다. 이층에의하여 PN 접합부에는에너지차가발생합니다만, 이에너지차를 " 전위장벽 " 이라고부릅니다. P N 확산전류 접합후 10 11
반도체란 반도체란 PN 접합의전압과전류특성 MOS( 금속 - 산화막 - 반도체 ) 구조 외부에서 PN 접합부로전압을인가하면, 인가한방향에따라전류가흐르거나흐르지않습니다. 이것이다이오드의기본특성입니다. PN 접합부에순방향전압의인가외부에서확산전위가약해지는방향 (P형: 플러스, N형 : 마이너스 ) 으로전압을가하면 PN 접합부의전위장벽이상쇄되어, P형반도체로부터 N형반도체로는정공이, N형반도체로부터 P형반도체로는전자가주입되어확산전류가계속해서흐르게됩니다. 이 M( 금속 )-O( 산화막 )-S( 반도체 ) 로이루어진샌드위치구조의반도체와금속전극사이에전압을인가하면산화막아래의반도체표면의극성이반전하게됩니다. MOS 구조에전압을인가 MOS 구조의반도체에서, 금속전극에 P형의반도체에는플러스전압을, N형반도체에는마이너스전압을인가하면 PN 접합부의경우와같이산화막밑에공핍층이형성되기시작합니다. P 전류가흐르는방향을 " 순방향 " 이라고합니다. 순방향전압 반전층 인가전압이낮은경우 전압을더높이면산화막밑에 P 형반도체에는 PN 접합부에역방향전압의인가외부에서인가전압의극성을반대 (P형: 마이너스, N형 : 플러스 ) 로하면접합부의전위장벽에외부전위인 VR이가해지는결과가되어공핍층의폭이한층더확대됩니다. 이경우역방향전류는거의정지됩니다. 이방향을 " 역방향 " 이라고합니다. 전자가, N형반도체에는정공이축적됩니다. 이층을 " 반전층 " 이라고합니다. MOS형전계효과트랜지스터는이층을스위치로이용합니다. 인가전압을바꾸어서회로의개폐스위치역할을하는것입니다. P 역방향전압 인가전압이높은경우 12 13
반도체란 반도체란 불순물의선택적확산 A B 확산으로반도체의극성을바꾸려면원래소재의 불순물농도보다더높은농도의불순물을확산하지 않으면안됩니다. 따라서이주입법은재료의농도를 결정속 Si(4 가 ) 원자의일부를불순물의 높일때에만사용됩니다. 원자로바꾸어서 P 형 ( 붕소등의 3 가원소 주입시 ) 혹은 N형 ( 인등의 5가원소주입시 ) 반도체를만들수있습니다. 이온주입장치 기상성장법 ( 에피택시얼성장법 ) 기판결정에접목하는방법으로결정을성장시키는방법입니다. 우선반응로에서웨이퍼를고온 ( 약 불순물주입방법에는다음과같은방법이있습니다. 열확산법불순물확산원으로기체나고체소스를이용하여단결정기판 ( 웨이퍼 ) 을확산로에넣고가열 ( 약 1000 ) 합니다. 그러면불순물이 Si 결정속에 () 1000 ) 으로하고, 시란가스 (SiH 4) 와수소에혼합한불순물가스를적당량흘립니다. 그러면기판결정위에의도한극성과불순물농도를가지는단결정을성장시킬수있습니다. 기판보다불순물농도가낮은층또는극성이다른층을만들수있습니다. Si 확산되어들어갑니다. 대표적인 P 형불순물에는붕소, N형불순물에는인, 비소등이사용됩니다. 불순물농도나농도분포는온도, 시간, 가스유량을가감해서결정합니다. Si 이온주입법 이온주입법 열확산법 가스상태의불순물을이온화한후질량분석기로주입할원소를분리한다음, 이것을전계로가속시켜반도체기판에주입합니다. 이주입방법을사용하면목표장소및깊이에불순물농도를정밀하게제어해주입할수있습니다. 그러나불순물주입만으로는 P형또는 N형의성질은 나타나지않습니다. 어닐링으로격자속의 Si 원자를불순물원자로바꾸는조작이필요합니다. 열확산장치 기상성장법 ( 엑피택시얼성장법 ) CVD 시스템 14 15
반도체란 반도체란 산화막 (SiO 2 ) 기상성장법 (CVD 법 ) 고온의반응로내에서시란가스 (SiH 4 ) 및 산소가스 (O 2) 등과의화학반응을통하여웨이퍼 표면에산화실리콘을쌓아올리는방법입니다. 상압 산화막은의제작에매우 CVD법 (1기압) 이나감압 CVD법등이있습니다. 이는주로배선층간절연막, 칩표면보호막등의형성에 중요한역할을하고있습니다. 산화막은 MOS 트랜지스터의게이트산화막, PN 접합부의보호막, 불순물확산마스크로이용됩니다. 산화막을만드는대표적인방법에는열산화법과기상성장법 (CVD법) 이있습니다. 이용합니다. 가스종류의조합을바꾸어폴리실리콘게이트등의형성에도이용합니다. 기상성장법 (CVD 법 ) 열산화법고온산소또는수증기로실리콘웨이퍼의표면을산화시켜서산화막을생성합니다. 치밀한산화막을형성할수있기때문에 MOS 트랜지스터의게이트 산화막이나보호막등에사용합니다. 산화로형성되는막의두께는온도, 시간, 또는수증기의유량으로제어합니다. 열산화막의생성 감압 (LP) CVD 장치 열산화막생성장치 16 17
반도체란 반도체란 Si 단결정제작 를만드는방법 에는실리콘의순도가높고 결정결함이적은단결정이필요합니다. ( 트랜지스터나 IC) 제조 실리콘단결정을만드는방법에는 공정은다음과같습니다. CZ 법 ( 초크랄스키법 : 인상법 ) 과 FZ 법 ( 플로팅 실리콘단결정잉곳으로웨이퍼를만들어 존용융법 ) 이있습니다. 다결정실리콘재료로단결정실리콘완성품을만들때불순물을첨가해서실리콘기판에 P형또는 N형극성을부여합니다. 내는공정 전공정 : 웨이퍼위에반도체칩을만드는공정 후공정 : 반도체칩을몰딩하여조립하는공정 CZ 법 Si Si 실리콘웨이퍼제작공정 초고순도의다결정실리콘재료에불순물을첨가하고가열로에서녹입니다. 다음에실리콘시드 ( 종자결정 ) 를 원주상태의실리콘단결정잉곳에서원반모양의웨이퍼를잘라서표면을거울처럼연마합니다. 회전시키면서끌어올리면막대모양의단결정잉곳이성장합니다. 이때불순물의종류와첨가량을조절하여반도체의극성이나비저항을제어할수있습니다. FZ법 CZ단결정추출장치 슬라이싱 : 실리콘단결정잉곳블록에서웨이퍼를잘라낸다원주상태의실리콘단결정잉곳을지지대에붙여놓고다이아몬드입자를내측에붙여만든내주칼날을 단결정잉곳을생산하려면첨가용화합물가스를 회전시켜원반상태의웨이퍼를잘라냅니다. 슬라이싱장치 혼합한비활성가스환경에막대모양의다결정실리콘을고정합니다. 다음에시드결정을접속하고이부분부터실리콘을벨트모양으로녹이면서환형의고주파가열코일을들어올립니다. 폴리싱 : 실리콘웨이퍼의표면을닦는다결함이적은디바이스를만드려면실리콘웨이퍼표면을기계적및화학적으로거울처럼연마해서표면의결함층을없앱니다. 한편고내압파워트랜지스터나사이리스터등의고비저항의단결정을만들려면순도가높은 FZ 단결정을중성자선으로조사하고 Si의한부분을 Si 인으로바꾸어 N형의반도체를만드는방법도있습니다. FZ 장치 연마장치 ( 폴리싱장치 ) 18 19
반도체란 반도체란 전공정 후공정 포토 (photo) 에칭및불순물확산공정을반복해서웨이퍼상에반도체칩을형성합니다. 웨이퍼를잘라서만든칩을리드프레임위에붙인뒤와이어로칩의전극과리드를접속한다음에 기상성장경면연마된웨이퍼 ( 실리콘단결정기판 ) 에기상 몰드수지로 IC칩을싸서테스트를실시해불량품을제거하는공정입니다. 성장층을만듭니다. 다이싱 다이아몬드날의커터를사용하여가 기상성장 만들어진웨이퍼에서개개의칩을잘라냅니다. 불순물선택확산사진기술을응용한포토 (photo) 에칭기술을사용해서 SiO2 칩마운트및와이어본딩칩을리드프레임위에붙입니다. 그리고칩의전극과 다이싱 (dicing) 선택적으로불순물을확산시켜부분적으로필요한극성및불순물농도의영역을만듭니다. 이과정을반복해서를만듭니다. 리드를금이나알루미늄등의와이어로접속시킵니다. 패키징 기계적강도를주기위해서에폭시수지등으로본딩와이어와반도체칩등을봉입합니다. 선별검사마지막으로테스터로전기적특성을측정및판정해서 불량품을제거합니다. 불순물확산 웨이퍼절단 전극금속증착알루미늄또는구리등을웨이퍼의표면에증착하여전극및배선을형성합니다. N + 배선, 전극금속의증착 패키징 ( 몰딩 ) 칩마운트및본딩 20 21
는 2개의핀을가진다이오드에서부터최신 SoC(System on a chip) 이나초대형전력디바이스에이르기까지폭넓게개발되고있습니다. 휴대전화, 디지털가전기기, 차량탑재기기, 계측기, 나아가고속철도, 제철등의산업용기기까지폭넓게이용되고있습니다. 현재반도체라불리는디바이스의종류를다음페이지에나타냈습니다. 주로프로세스기술상의차이에따라일반적으로디스크리트반도체, 광반도체, 로직 IC, 아날로그 IC, 메모리로크게분류하고, 각그룹은다시작은그룹으로분류합니다. IC는프로세스기술상의차이에의한분류이외에도응용분야나설계수법등에의한분류가있습니다. 최근에는일반적으로이용되지는않지만 IC, LSI, VLSI( 초대규모집적회로 ) 등그규모에의한분류방법이나아날로그, 디지털, 아날로그와디지털혼재 IC 등취급하는신호에의한분류방법도있습니다. 디스크리트반도체 ( 개별반도체 ) 다이오드, 트랜지스터, 사이리스터등 광반도체 LED, 수광디바이스, 포토커플러등 로직 IC 범용로직 IC, 마이크로프로세서등 아날로그 IC 전원 IC, OP 앰프, 콤퍼레이터등 메모리디바이스 DRAM, 플래시메모리등 FRD (Fast Recovery Diode: ) HED (High Efficiency Diode: ) SBD (Schottky Barrier Diode: ) IMPATT FET (Field Effect Transistor: ) FET MOSFET IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: ) SCR (Silicon Controlled Rectifier: ) GTO (Gate Turn Off thyristor: ) LTT (Light Triggered Thyristor: ) LED (Light Emitting Diode: ) CCD* * (Charge Coupled Device: ) CMOS** ** (Complementary Metal Oxide Semiconductor: ) / IC IC CISC (Complex Instruction Set Computer: ) RISC (Reduced Instruction Set Computer: ) DSP (Digital Signal Processor: ) ASIC (Application Specific Integrated Circuit: ) SC (Standard Cell: ) FPLD (Field Programable Logic Device) MPR (Microcomputer Peripheral: ) IC ( IC) IC OP AD, DA IC IC DRAM (Dynamic Random Access Memory) SRAM (Static Random Access Memory) ROM FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory) MRAM (Magnetic Random Access Memory) 의종류 22 23
다이오드의종류와용도 (2) 제너다이오드 제너다이오드란 PN 접합다이오드의역방향항복전압을이용한전압제어다이오드입니다. 이 (1) (A) (K) ma 6 전압은전류에대하여거의일정하기때문에정전압레귤레이터의기준전압원이나서지 (Surge) 전압흡수용도등에사용되고있습니다. (2) Common anode (K) 다이오드는 1개의 PN 접합을가지는 2단자의입니다. 인가되는전압의방향에따라전류가흐르거나흐르지않는성질을가지고있습니다. V40 4 2 30 20 10 0.5 100 200 1.0 V (3) 그외의다이오드 일반다이오드의스위칭특성을한층더높인패스트리커버리다이오드 (FRD) PN 접합대신에금속과반도체를접합한쇼트키장벽다이오드 가변용량다이오드, 믹서다이오드, 진성반도체의 (A) Common cathode (A) (A) (K) (K) 300 μa I 층을끼운 PIN 다이오드등의고주파다이오드 (3) 다이오드의기본특성다이오드는 PN 접합의소수캐리어주입과확산현상을이용하여한방향 ( 순방향 ) 으로만전류를흐르게할수있습니다. PN 접합다이오드의 N형반도체측에는마이너스를, P형반도체측에는플러스전압을 다이오드특성곡선 (A) (K) 다이오드의패키지 (1) 단품 1개의패키지에 1개의소자가들어있는이타입이가장많이사용되고있습니다. (2) 센터탭 (A) (4) (K) + 가하면전류가흐릅니다. 이방향을 " 순방향 " 이라고합니다. 이와는반대로플러스, 마이너스 " 역방향 " 의전압을인가하면이번에는전류가거의흐르지않습니다. 이방향을역방향이라고합니다. PN (A) (K) 1개의패키지에 2개의소자를사용한타입으로, 센터탭부착 2권선트랜스를사용한전파정류회로등에사용되고있습니다. (3) 직렬접속 정류다이오드의다양한접속 - 접합다이오드의역방향전압을올리다보면어느전압에서는급격히전류가증가합니다. 이전류를 " 항복전류 " 라고합니다. 항복전류가흐르고있는동안 R () 2개의다이오드가내부에서직렬로연결되어있는것으로반파배전압정류회로등에사용되고있습니다. (4) 브릿지그림과같이 4개의다이오드를사용한타입으로, 교류를전파정류할때에사용되고있습니다. 전압치는전류에대해서거의일정합니다. 다이오드의특성곡선과기호, 구조 오른쪽그림은다이오드의특성곡선과기호및, 다이오드의기호와구조 구조도를나타냅니다. 다이오드의종류와용도 (1) 일반정류다이오드 다이오드의일반적인용도에는한방향으로만전류가 흐르는기능을이용한교류전압의정류회로가 있습니다. 각종다이오드 대전류정류다이오드 24 25
고속스위칭다이오드 종류 (1) 패스트리커버리다이오드 (FRD) 패스트리커버리다이오드 (Fast Recovery Diode) 는 크기때문에, 고전압에서사용하면열폭주가발생하기쉬우므로각별한주의가필요합니다. 구조상으로는일반정류다이오드와같지만, 백금이나금등의불순물을실리콘결정내에확산시켜, 전자와 이것은다이오드의역회복특성을개선하여고속스위칭을가능하게한다이오드입니다. 높은스위칭주파수에서동작하는인버터나스위칭레귤레이터의프리휠다이오드, 정류다이오드로이용되고있습니다. 또한, 순방향 정공의재결합중심을증가시킴으로써, 턴오프후의소수캐리어가빠르게소멸되도록한다이오드입니다. 역회복특성 ( 역회복시간 : trr) 을향상시켜고속동작을가능하게했습니다. (2) 고효율다이오드 (HED) (A) (K) 손실도줄일수있습니다. 특징 PN 접합다이오드는소수캐리어를이용하므로도전변조효과에의해순방향전압을낮출수있습니다. 하지만, 소수캐리어에의한역회복특성이있어고속스위칭특성이저해됩니다. FRD와 HED는 PN 접합다이오드의일종이지만, 백금등의중금속을실리콘결정안에주입하여전자와정공의재결합중심을 역회복전압인가시소수캐리어의이동 고효율다이오드 (High Efficiency Diode) 는앞에서설명한 FRD보다동작속도를높이고손실을저하 ( 순방향전압이낮다 ) 시키기위하여, 에피택시얼웨이퍼를사용하고, 도전변조효과 (PIN 다이오드를참조 ) 를이용해서순방향저항을낮추는한편, 중금속확산을이용해서순방향특성의손실없이, 역회복특성을개선한다이오드입니다. HED는, FRD보다많이고속의스위칭회로에사용되고있습니다. (3) 쇼트키장벽다이오드 (SBD) 진공에너지레벨과전도대레벨의에너지차 ( 전자친화력이라고함 ) 가금속과반도체에서다르다는점을이 (A) R (K) N 증가시키고, 턴오프후의소수캐리어가빠르게소멸되도록한다이오드입니다. 한편, 쇼트키장벽 t rr 1 용하여 PN 접합과는다른원리로인가전압의방향에의해전류가흐르기도하고흐르지않기도합니다. 쇼트키장벽다이오드의통전상태와기호 다이오드는주로다수캐리어로동작하기때문에역회복특성이나타나지않습니다. 따라서고속으로동작합니다. 역회복특성 PN 접합다이오드에서순방향전류를흘린상태에서급격히역방향으로전압을인가하면, 순간적으로커다란역전류가흐르게됩니다. 이것은 PN 접합에서주입된소수캐리어가역방향으로이동하기때문으로, 이소수캐리어가유출또는소멸할때까지전류가흐릅니다. 고속스위칭다이오드는역전류가 0이될때까지의 0 i R 1 t rr 2 R 2 ( t rr ) ( i R ) 역회복전류파형 i t 소수캐리어에의한확산전류를이용하는 PN 접합과는달리, 쇼트키장벽다이오드는 (Schottky Barrier Diode) 주로다수캐리어의드리프트전류를이용하므로고속스위칭이가능합니다. 쇼트키장벽다이오드는 PN 접합다이오드에비해역방향전류가 (A) (K) N 기간 ( 역회복시간 : trr) 단축및역전류파형을매끄럽게하기위한것입니다. 고속스위칭다이오드 쇼트키장벽다이오드의저지상태 26 27
정전압다이오드 ( 제너다이오드 ) 고주파다이오드 (A) (K) (A) (K) 이것은 PN 접합의역방향특성을이용한다이오드입니다. 기준전압원이나서지전압흡수용으로사용합니다. N P 고주파용다이오드에는여러종류가있습니다. 가변용량다이오드 PIN 다이오드 터널다이오드 IMPATT 다이오드 건다이오드 스텝리커버리다이오드 t (A) (K) 구조와동작 PN 접합다이오드의역방향전압을서서히올리면 PN 접합부의전계가높아져서, 일정한접압점에서커다란전류가흐르게됩니다. 이러한전압전류특성을 제너 ( 정전압 ) 다이오드의기호와구조 (1) 가변용량다이오드다이오드에역방향전압을인가한경우에발생하는공핍영역은전하가공간적으로분리되어있으므로콘덴서와같은역할을합니다. P N C 0 A /t ( 적극적으로이용한것이제너다이오드입니다. 이때급격히전류가흐르기시작하는현상은제너항복또는애벌란시항복에의한것입니다. 제너항복은터널현상에의한것으로, 강한전계에의해속박된전자 (Bound electron) 가결합으로부터떨어져나가자유전자가되어전류를발생하는것으로, 그전압은마이너스의온도계수를가집니다. 한편, 애벌란시항복은공핍층의전계로가속된전자, V30 : ma 20 10 20 10 0 0 1 V 10 : 20 ma 제너 ( 정전압 ) 다이오드의특성 다이오드에인가된전압 ( 역방향 ) 이증가하면, 마치콘덴서의 2장의전극간간격을넓여서다이오드의용량을감소시킨것처럼공핍층의폭이연속해서확대합니다. 이특성을이용해서튜너등의동조회로나발진회로등에사용합니다. (2) PIN 다이오드 PN 접합의사이에진성반도체 (I형) 를끼우고순방향전압을가하면진성반도체에다수의정공과균일한 가변용량다이오드의기호외구조도 PIN 다이오드는순방향으로직류전류를흘리면저항이낮아지고, 역방향직류전압을인가하면 I층의공핍층이확장된결과, 용량치가아주작아집니다. 이특성을이용하여공진회로의주파수대전환이나감쇠기의고주파대의스위치로사용합니다. 또는정공의높은에너지가속박된전자 (Bound 밀도의전자가주입되어비저항이감소됩니다. 이 electron) 에에너지를가하여자유전자로만드는 자동차의전원라인, 전화라인의서지전압 ( 이상고압 현상을 " 전도변조효과 " 라고합니다. 현상으로, 이새로운자유전자도가속되어다른속박된전자 (Bound electron) 를자유전자화하는현상을반복한결과, 큰전류가발생되며그전압은플러스의온도계수를가집니다. 제너항복은주로약 6V 이하에서발생하며애벌란시항복은 6V 이상에서발생합니다. 그러므로, 약 5V에서 펄스전압 ) 흡수용, 또는컴퓨터등의커넥터에접속하여커넥터시발생하는 ESD( 정전압파괴 ) 보호용등에사용되고있습니다. 온도계수가 0 이됩니다. 용도 제너다이오드는시리즈레귤레이터의기준전압원이나 PIN 다이오드의순방향 PIN 다이오드의역방향 28 29
ma 2 (3) 터널 ( 에사키 ) 다이오드높은농도에서불순물을첨가한 P 형및 N 형영역에낮은전압을가하면, 터널링현상에의해서좁은공핍영 트랜지스터의종류와용도 1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 V 터널다이오드의특성곡선 P IMPATT 다이오드의모식도 I 역이생기며, 이를통하여캐리어가흐르게됩니다. 이다이오드는순방향전류가흐르기전의낮은전압에서발생하며, 부분적으로마이너스의저항특성을나타낸다는현상을이용합니다. (4) IMPATT 다이오드 PN 접합에역전압을가하여, 항복전압을초과하면캐리어의애벌란시현상이일어납니다. 캐리어의애벌란시가빠져나가는 Ⅰ영역의길이에의하여정해지는도착시간에공진기의주파수를동조시키면, 3~300GHz 사이에서큰출력을가지는발진기나증폭기가됩니다. (5) 건다이오드 (Gunn Diode) 건다이오드는 N형갈륨비소 (GaAs) 의결정으로만듭니다. 일반적으로전압은전자를가속하는효과가있지만, 일정임계치에달하면결정격자가전자의운동 트랜지스터는신호증폭기능을가진 3단자입니다. 종류로는전류의캐리어로전자와정공양쪽캐리어를이용하는바이폴라트랜지스터와, 전자나정공의어느한쪽만을이용하는전계효과트랜지스터 (FET) 가있습니다. 트랜지스터의분류바이폴라트랜지스터에는반도체의조합에따라 NPN형과 PNP형이있습니다. 한편, 전계효과트랜지스터는접합형전계효과트랜지스터 (Junction (1) (BIP-Tr) P NPN PNP (2) (FET) () N P Junction FET MOSFET (3) (IGBT) 에너지를흡수하고속도를감소시킵니다. 또한임계치보다큰전압을가하면, 마이너스전극 FET) 와 MOS형전계효과트랜지스터 (MOSFET) 로나누며, 이것은또 N채널과 P채널로나누어집니다. 트랜지스터의분류 부근에서전계가높은영역이발생하고결정속을 N 채널은전자를전류로사용하고 P 채널은정공을 빼놓을수없습니다. N-GaAs 이동합니다. 이러한고전계영역의발생, 이동, 소멸이주기적으로발생하는현상때문에 5~50GHz의 전류로사용합니다. 바이폴라트랜지스터는아날로그 IC, 고주파디바이스, 또파워 MOSFET은온및오프기간의듀티를바꾸어전력을제어하는스위칭분야에적합합니다. 마이크로파발진기등에이용되고있습니다. (6) 스텝리커버리다이오드 PN 접합에순방향에서역방향으로인가전압을 오디오출력, 시리즈레귤레이터등의아날로그용도에적합합니다. MOSFET은온및오프스위칭동작이뛰어나며 건다이오드의모식도 전환하면전하가축적되어방출됩니다. 이과정에서매우많은고조파 ( 高調波 ) 를발생하고있으므로고출력 구조가간단하고소비전력이적은 CMOS 게이트를사용하고있으며, 또한미세가공기술에의하여 마이크로파를용이하게얻을수있습니다. 고성능을갖추고있기때문에, 디지털 LSI 소자에는 P N I N 스텝리커버리다이오드의모식도 각종트랜지스터패키지 30 31
바이폴라트랜지스터 전계효과트랜지스터 (FET) N P N 전계효과트랜지스터는바이폴라트랜지스터와달라서전자또는정공어느한 이것은 2 개의 PN 접합을가지며, 전자및 NPN 종류의캐리어만작용하는유니폴라 정공의양쪽캐리어를이용하여증폭또는스위칭동작을하는트랜지스터입니다. P N P 트랜지스터입니다. 구조와원리에따라다음과같이구분됩니다. 접합형전계효과트랜지스터 (NPN) (PNP) PNP MOS 형전계효과트랜지스터 (D) (D) 바이폴라트랜지스터의구조 구조와동작 NPN PNP 접합형전계효과트랜지스터 (J-FET) (G) (G) NPN 트랜지스터에서는베이스 - 이미터접합이 (C) (C) 낮아지도록순방향전압을인가하면이미터영역에서 동작원리 베이스영역으로전자가주입됩니다. 베이스층의두께를얇게하면대부분의전자는확산전류로 (B) (B) N채널접합형전계효과트랜지스터는그림과같이 P형반도체의게이트사이에 N형반도체를끼운 (S) (S) 베이스 - 컬렉터접합에도달하여컬렉터전류가됩니다. 구조입니다. PN 접합에역전압을인가했을때에 Junction FET 의기호 동시에베이스에서이미터로정공이주입되어베이스 (E) (E) 발생하는공핍층을전류제어에이용합니다. 전류가됩니다. 이미터의불순물농도를베이스보다 2자리높이고베이스전류의비율을낮추어아주작은 트랜지스터의기호 N형결정영역에직류전압을인가하면전자는소스에서드레인으로흐릅니다. 전자가통하는채널폭은양쪽 베이스전류로큰콜렉터전류를제어할수있습니다. NPN 트랜지스터는전자를전류로사용하지만 PNP 트랜지스터는정공을전류로사용하므로전류가흐르는방향이반대입니다. (E) (B) (C) N P N 면에서확산된 P형영역과이영역에가해진마이너스전압에의하여결정됩니다. 마이너스의게이트전압이강하면 PN 접합부의공핍영역이채널속까지넓어져서채널폭을좁게 용도바이폴라트랜지스터는고주파특성이뛰어나고 합니다. 따라서게이트전극의전압으로소스와드레인사이의전류를제어할수있습니다. P N P 물리량에따라특성이결정되기때문에변동이 I E I C 용도 적습니다. 따라서무선기기용고주파회로등의 접합형전계효과트랜지스터는게이트에전압이 아날로그회로에적합합니다. 전류구동능력이크기 인가되지않더라도전류가흐르기때문에정전류원에, 때문에전원이나오디오출력, TV 의수평편향용등의 V BE V CB 또잡음이거의없기때문에오디오증폭기등에 파워디바이스로도사용되고있습니다. NPN 트랜지스터의동작원리 사용되고있습니다. Junction FET 의동작원리 (N 채널 ) 32 33
MOS 형전계효과트랜지스터 (MOSFET) 고주파트랜지스터 (Enhancement ) (Enhancement ) 동작원리 (D) (D) 이것은금속과반도체로산화막을끼운 MOS 형 HEMT( 고전자이동도트랜지스터 ) 트랜지스터지만금속과반도체사이에전압을 HEMT 란 AlGaAs/GaAs 층에이종접합부 인가해서공핍층을발생시킬수있습니다. 전압을더 이트랜지스터는고속전자이동도, 저잡음, 계면에생기는전자축적층을채널로이용하는 (G) (G) 크게인가하면산화막밑에전자또는정공이축적된반전층이생깁니다. 이것을스위치로서이용한것이 높은차단주파수 (f T) 등의뛰어난특성을가지고있으며주로화합물반도체를사용하고 트랜지스터입니다. 게이트전극으로채널을직접제어할수있기때문에저잡음, 고이득의특성은물론특히 MOSFET 입니다. 있습니다. GaAs MESFET, HEMT, HBT 고주파영역 (GHz 밴드 ) 에서특성이뛰어납니다. (S) MOSFET의기호 (S) 동작원리그림에서게이트전압이 "0" 이라면 PN 접합이전류를차단하고소스와드레인사이영역에는전류가흐르지않습니다. 게이트에플러스전압을인가하면 P형반도체의정공은게이트밑의산화막과 P형반도체의표면에서부터추방되어공핍층이발달합니다. 게이트전압을더높이면전자가표면에끌려얇은 N형의반전층이형성되고소스 (N형) 와드레인 (N형) 사이가연결되어전류가흐릅니다. 등이대표적이며, 이동통신, 위성통신등의분야에서사용되고있습니다. FET 계고주파트랜지스터 GaAs MESFET GaAs MESFET: 반도체재료로는실리콘보다이동도가높은 GaAs(3-5족의화합물반도체 ) 를 (FET) MESFET Metal Semiconductor Field Effect Transistor HEMT High Electron Mobility Transistor MOSFET Metal Oxide Semiconductor FET N N 용도구조가간단하고고속이며게이트구동의용이및파괴에강하다는등의특징이있습니다. 더구나미세가공기술을이용하여성능을향상시킬수있습니다. 이러한이유에서 LSI의기초디바이스를비롯하여고주파부터파워디바이스 ( 전력제어디바이스 ) 에이르기까지널리사용되고있습니다. 이용한접합형 FET입니다. 높은주파수로고이득및저잡음특성을얻을수있습니다. 기본구조실리콘과달리 GaAs는양질의게이트산화막을형성할수없기때문에 MOSFET은만들수없습니다. GaAs MESFET은게이트구조에금속-반도체접합 ( 쇼트키접합 ) 을이용한접합형 FET입니다. J-FETJunction FET GaAs HBT Heterojunction Bipolar Transistor SiGe HBT Silicon Ge HBT Si-BJT Si-Bipolar Junction Transistor 고주파트랜지스터 반절연성기판표면에이온을주입하거나에피택시얼성장등의방법으로 N형 GaAs 채널층이형성됩니다. (S) (G) (D) 이층에는쇼트키접합의게이트전극과오믹 (Ohmic) MOSFET 의동작원리 (N 채널 ) 전극인소스및드레인전극이설치되어있습니다. N-GaAs N N 동작원리 동작원리는금속-반도체접합에서부터채널층안으로확장되는공핍층을게이트전압으로제어하고, I-GaAs 소스와드레인전류를제어하는방식입니다. GaAs GaAs MESFET 의구조 34 35
(S) (G) (D) 동일한반도체재료로만들어져있는데반하여 HBT는이미터와베이스에다른반도체재료를사용합니다. 대전력트랜지스터 (Power MOSFET) 의종류와용도 보통의바이폴라트랜지스터는고주파특성을 GaAs계HEMT의구조 N I-GaAs 향상시키기위하여베이스의불순물농도를올려베이스층을얇게하지만, 전류증폭률이저하하기때문에한계가있습니다. HBT 구조로하면이미터와베이스를구성하는반도체재료의에너지갭의차이를이용하여전류증폭률의저하없이불순물농도를높일수있습니다. 그결과고주파특성을향상시키게되었습니다. SiGe의기본구조 대전력트랜지스터는대부분스위칭에사용되므로온전압 ( 온저항 ) 의저하와스위칭의고속화가중요합니다. 파워 MOS- FET은고속성과높은파괴내량을가지는이상적인전력제어디바이스입니다. (G) N P N (S) N P N 기본구조 일반실리콘의 NPN 트랜지스터베이스를에피택시얼 3-5족화합물반도체이종접합부 (AlGaAs/GaAs 등서로다른반도체간의접합 ) 층에생기는고이동도의전자층을채널로이용한쇼트키게이트형 FET입니다. 게이트전극을 AlGaAs층위에설치하고게이트전압인가시에 AlGaAs층이완전한공핍층이되도록 성장을이용해서 SiGe 결정베이스로바꾼구조입니다. 보통의실리콘바이폴라와동일한공정및설비를사용하여만들기때문에고주파특성이뛰어난바이폴라트랜지스터와 CMOS를혼재한고주파 BiCMOS LSI용에적합한디바이스를저렴하게만들 파워 MOSFET 구조와종류전류를칩표면방향 ( 평행 ) 으로흘리는보통의 MOSFET에반하여파워 MOSFET은전류를칩 (D) (G) (S) 두께를얇게하고있습니다. 수있습니다. 수직방향으로흘립니다. 이구조로온저항이줄어들고 동작원리 AlGaAs층에혼입된도너불순물에서공급된전자는이종접합을가로질러에너지가낮은 GaAs측으로이동합니다. 이동한전자는 AlGaAs측도너이온의 고주파디바이스의용도고주파디바이스는휴대전화, 휴대기기, GPS안테나, 위성방송수신기등에사용되고있습니다. 큰전류를흘릴수있게되었습니다. 파워 MOSFET의게이트구조에는게이트가칩표면방향으로형성되어있는플래너게이트와수직방향으로형성되어있는트랜치게이트의 2종류가있습니다. N P N P N N 쿨롱힘에의하여이종접합계면으로당겨져서극히 일반적으로는, 트랜치게이트구조가플래너 얇은채널층을형성합니다. 이 2차원전자가스농도를게이트전압으로제어하고소스-드레인사이의전류를제어합니다. 이런특성에의하여전자와불순물이온은분리되고, GaAs 중의전자는산란불순물의간섭을받지않고고속으로이동할수있습니다. 게이트보다온저항을작게할수있지만고내압이되면가격대비성능면에서플래너게이트구조가유리합니다. (D) MOSFET 구조의종류와동작원리 바이폴라계고주파트랜지스터 HBT( 이종접합바이폴라트랜지스터 ) 와동작원리 HBT는고주파용으로개발된바이폴라트랜지스터의일종입니다. 보통의바이폴라트랜지스터 ( 동종접합바이폴라트랜지스터 ) 에서는이미터와베이스가 다양한파워 MOSFET 36 37
(S) (G) 슈퍼접합 MOSFET 구조와동작보통의 MOSFET의결점은내압을높이면온저항이 IGBT (C) P P N N 급격히증가하는것입니다. 슈퍼접합 MOSFET은이결점을개선하기위해고안된디바이스입니다. 수직방향으로연장된얇은기판의 N층및 P층을서로 (G) P N N 인접하도록배치하고 N층및 P층의불순물농도를맞춥니다. 온상태에서는비저항이낮은 N층을통해전자를흘려서낮은온저항을얻고있습니다. 또오프상태에서는 N층-P층을공핍화하여진성반도체와 IGBT는고내압 MOSFET의일종으로, 일반 MOSFET의결점인고내압화에따른온저항의증가를도전변조효과 (PIN 다이오드를참조 ) 를이용하여낮춘디바이스입니다. (E) (E) (G) 같은안정된전계분포를얻어높은내압을실현하고 (D) 슈퍼접합 MOSFET 의구조용도파워 MOSFET은안정된특성으로취급하기쉽기때문에 DC-DC 컨버터용스위칭레귤레이터, 조명기기용인버터회로, 모터용인버터회로나로드스위치 있습니다. MOSFET은고속스위칭특성을유지하면서고내압과낮은온저항의특성을얻을수있습니다. 용도고내압스위칭레귤레이터, PFC( 역율개선 ) 등에이용합니다. 구조와동작 MOSFET을고내압화하려면불순물농도가낮고층이두터운드레인의 N- 영역이필요합니다. 그러므로 MOSFET이온상태일때의온저항이증가합니다. IGBT는 MOSFET의드레인상당영역에순방향의 N P N P N N P 등의다양한제품에사용되고있습니다. PN 접합을추가한것입니다. 그결과, P형반도체에서 N형반도체로정공이주입되어고밀도전자및정공이만들어지므로낮은온저항을실현할수있습니다. (C) IGBT 의기호와구조 용도 IGBT는인버터에어컨, IH 조리기등의가전제품이나공작기계, 펌프, 안정화전원, 풍력발전등의산업용, 하이브리드자동차, 연료전지자동차, 나아가철도차량의모터제어등에널리사용되고있습니다. 일반트랜지스터와같은외관의 IGBT 대형 IGBT 38 39
사이리스터 (SCR) 와트라이악 (TRIAC) (G) 사이리스터 ( 실리콘제어정류소자 ) 는 NPNP의 4층구조를가지며순방향전류가흐르는 (G) (K) (A) (T1) 2 (T2) P N 2 (T2) 시간을게이트의신호로제어할수있는스위치용입니다. 트라이악은 NPNPN의 5층구조를가지며교류전압을제어할수있는소자입니다. 사이리스터구조와동작사이리스터는 NPNP의 4층구조를가지며, NPN 트랜지스터및 PNP 트랜지스터각각의베이스가상대컬렉터와, 내부에서등가회로로접속된형태입니다. 따라서 NPN의베이스에일단외부에서전류를흘리면그에대응해흐르는 NPN의컬렉터전류가 PNP의베이스전류가되고, 이베이스전류에대응한 PNP의콜렉터전류가 NPN의베이스전류가되는사이클이반복되어완전히온상태가됩니다 ( 래치상태 ). 사이리스터는전류를게이트에서턴온할수는있지만, 트랜지스터와는달리스스로턴오프할수는없습니다. 오프상태로하려면전류를일정전류 ( 유지전류 ) 이하까지저하시키거나, 일정시간역저지상태로 (A) PNP P N P N NPN R g (K) (G) 사이리스터의기호와구조 사이리스터용도교류전압스위치나위상제어회로, 콘덴서전압의방전회로, 릴레이나솔레노이드의스위치에적합합니다. 실제응용예로는전원라인의스위치나램프조광제어, 히터의전력제어, 가스점화회로나이그나이터 (igniter) 점화회로, 누전차단기, 스트로브회로등에사용되고있습니다. 트라이악구조와동작트라이악은 2개의사이리스터를서로역방향으로병렬접속한구조의디바이스입니다. 사이리스터와달리순방향이나역방향의전류도제어가능합니다. 양방향으로전류가흐르는것은어느한사이리스터는순방향으로온상태가되기때문입니다. 트라이악의최대의특징은 AC 전류를쌍방향으로제어할수있으며, 플러스또는마이너스양쪽의게이트 1 (T1) N P N N 트라이악의기호와구조 트라이악의특성곡선 (G) 둡니다. 동작은 3가지상태로나눌수있습니다. 역저지상태 사이리스터의특성곡선 입력으로턴온할수있다는것입니다. 실제로제4상한에서제어는확실하지않은경우가많기 일정전류 ( 유지전류 ) 이하까지저하시켜야합니다. 캐소드에대하여에노드가마이너스전압인경우, 때문에트라이악은, 제 1 상한과제 3 상한의조합이나 게이트상태에관계없이전류는흐르지않습니다. ON 상태 제 2 상한과제 3 상한의조합을사용합니다. OFF 상태 캐소드에대하여에노드가플러스전압이거나게이트가 트라이악출력을가진포토커플러를이용하면, 캐소드에대하여에노드가플러스전압이고, 동시에 정전압인경우전류가흐릅니다. 제 1 상한과제 3 상한의조합을쉽게이용할수있습니다. 게이트가 "0" 이거나마이너스전압인경우, 전류는 일반적으로는 T1 및 T2 의사이에 RC 스너버회로를 흐르지않습니다. 도입하여잘못된턴온을방지합니다. 사이리스터와마찬가지로오프상태로만들려면전류를 40 41
고전압 ᆞ 대전류사이리스터 T2 T2 (G) G G (A) T1 T1 수천볼트, 수백암페어의전력제어용디바 (K) T2 T2 이스로 GTO( 게이트턴오프사이리스터 ) 와 LTT( 광트리거사이리스터 ) 가있습니다. (G) N P (K) N T1 G T1 G 게이트턴오프사이리스터 (GTO) GTO는일반적인사이리스터와비슷한구조를가지며, (A) P 트라이악의드라이브법 일반적인사이리스터와마찬가지로게이트와캐소드사이에순방향전압을인가하면온상태가됩니다. 또한게이트에역전압을인가하여애노드전류를게이트 GTO 의기호와구조 용도상용전원을이용하는기기, 특히세탁기나청소기등의가전기기나복사기등의 OA 기기, AC 모터의 측으로흡수함으로써오프상태를가능하게한자기소호형사이리스터이기도합니다. (K) (A) 회전제어나히터전력제어, 램프조광제어, 릴레이나 용도 솔레노이드의스위치회로등에널리사용되고 전기철도기차구동장치 (A) 있습니다. 산업용모터구동장치 광트리거사이리스터 (LTT) 일반적으로사이리스터는게이트에전기신호를인가해서온상태를만들지만 LTT는게이트에광 P N P N 케이블을통해서전송된광게이트펄스를조사해서 (K) 온상태를만듭니다. 전기적으로주전력계통과구동계통을분산할수있으므로장치구조를보다간단히할수있습니다. LTT 의기호와구조 용도 직류송전용전력변환장치 전기주파수컨버터, 무효전력보상장치 42 43
반도체센서 자기센서의동작원리 여기에서는자기센서의홀효과 IC 에관하여 설명하겠습니다. 홀효과 IC 의동작원리 빛, 온도, 자기, 압력, 가속도등외부환경의 반도체칩에제어전류 (I H) 를흘리고, 전류와 변화는캐리어밀도, 캐리어이동경로, 공핍층, 수직방향으로자계 ( 자속밀도 B) 를인가하면, 전류와 접합부용량등반도체내부의요소에영향을 자계양쪽에수직방향으로전압이발생합니다. 미칩니다. 반도체센서는이와같은내부의변화를통해서검출대상을전압이나발진주파수의차이에따라식별합니다. 이현상을 " 홀효과 " 라고하며, 발생하는전압을 " 홀전압 (V H)" 이라고합니다. 이홀효과를이용하여자계를검출하는센서가홀효과 IC이며, 재료에는 Si과 홀효과 IC GaAs 가주로사용되고있습니다. 또, 출력전압을증폭하는회로등을내장한것을 " 홀 종류디바이스예감지대상용도 IC" 라고합니다. 홀전압VH는다음식으로나타냅니다. V H =K H I H B I () H 포토다이오드빛광량검출, 리모컨수신 K H : 홀상수 (Hall constant) 광센서 포토인터럽터물체의유무복사기의종이검출 CCD 이미지센서 CMOS 이미지센서 물체의형태, 색 물체의형태, 색 비디오카메라, 디지털카메라비디오카메라, 디지털카메라 자기센서홀소자자속밀도모터회전검출 압력센서반도체압력센서압력청소기의흡입력검출 용도모터회전검출, 적산전력계등에이용됩니다. B V H V H K B H K () H I H 가속도센서반도체가속도센서가속도에어백충격감지 홀소자의동작원리 반도체센서의종류위의표에대표적인반도체센서의종류와감지하는대상및용도를나타냈습니다. 예를들면광센서의일종인포토다이오드는빛의양을전하로변환하는디바이스이고 CCD 이미지센서는 " 버킷릴레이 " 처럼클록펄스를이용하여포토다이오드의어레이를통하여전하를추출할수있는디바이스입니다. 44 45
광 발광다이오드 (LED) 의동작원리 광반도체에는다양한종류가있습니다. 주요광반도체를기능, 동작원리, 구조, 용도등으로분류하면다음과같습니다. LED는빛을방사하는다이오드로, 전류를흘리면가시광선, 적외선을발생합니다. 2 to 10mm 광반도체는반도체를이용하여전기신호를광게이트펄스로변환하거나반대로광게이트펄스를전기신호로변환하는디바이스입니다. L: Light E: Emitting D: Diode 동작원리 (LED) LED LED는 PN 접합을가지는반도체입니다. 순방향전압을인가하면 N형영역에서는전자가, P형영역에서는정공이 PN 접합부로이동하여재결합하며, 발광다이오드의구조 P N LED 전자가가지고있는에너지를빛으로전환합니다. 즉, 자유전자와정공이결합상태가될때에발생하는 PN 에너지가빛이되어방사됩니다. 빛의색깔 ( 빛의 IC ( + IC) 파장 ) 은반도체와첨가물의종류에따라정해집니다. 다음과같이각종화합물반도체가이용됩니다. CCD/CMOS (A) (K) PNP/NPN PNPN 발광다이오드의동작원리 GaAs/GaAs GaAlAs/GaAs GaAsP/GaP GaP/GaP, (A) GaP/GaP GaP/GaP InGaAlP/GaAs GaN/Al 2O 3, InGaN, (K) x 광반도체의체계 주요 LED 용반도체의종류 발광다이오드의기호 46 47
가시 LED 의종류와용도 백색 LED LED로모든색을표시하기위해서는빛의 3원색 ( 빨강, 초록, 파랑 ) 을발광하는 LED가필수입니다. 백색 LED 는이 3 원색발광칩을 1 개패키지에내장한 디바이스입니다. 또한, 청색 LED 에보색의형광체를 내장하고, 청색및청색에너지로여기한보색에의해 백색을발광하는디바이스도있습니다. 가시 LED 는시각에대응하는디바이스로 용도 다양한색, 형상, 구조가있습니다. 풀컬러액정패널용백라이트, 저소비전력램프 LED 디스플레이 프린트기판이나금속리드위에 LED 칩을고정하고, 백색 LED 의원리 숫자나문자를형상한수지케이스로봉한장치입니다. 7 세그먼트의숫자표시디스플레이가대표적입니다. LED 램프 용도 GaP 나 GaAsP, GaAlAs 등을사용한 LED 칩을 TV, VTR 투명수지등으로봉한장치입니다. 발광부분은 오디오기기 일반적으로돔형이지만용도에따라볼록형이나 가전제품 삼각형, 사각형등이있습니다. 고휘도 LED 는 OA 기기 5cd(candela) 이상의광도를얻을수있습니다. 용도 도트매트릭스 LED 디스플레이 자동차용정지램프, 철도용신호기, 도로표지판등 고휘도화, 다색화에더하여고신뢰성, 저소비전력, 고속 응답성등 LED 의특징을살려서멀티컬러로표시할 SMD LED 램프 수있습니다. 구동용 LSI 를탑재한도트매트릭스 SMD LED 는표준적인둥근 LED 와는달리표면에 LED 램프 디스플레이가대표적입니다. LED 디스플레이 장착하기위한작은박형디바이스입니다. 최근에는 용도 전자기기의소형화로이타입의수요가급증하고 역의행선지표지판 있습니다. 각종정보표지판 용도 쇼핑몰, 야구장, 경마장등의옥외용대형스크린 휴대전화, 모바일 (Mobile) 기기 SMD LED 램프 도트매트릭스 LED 디스플레이 48 49
레이저다이오드 결정의종류와발진파장 왼쪽표에크게분류한것처럼레이저빛의발진파장은 레이저다이오드는 " 반도체레이저 " 라고도합니다. 레이저는유도방출에의하여빛을증폭하는소자입니다. 또한사람의눈으로인식할수있는파장을발광하는것을 VLD (Visible laser Diode) 라고합니다. InGaAlP 0.630.69 μm () GaAlAs 0.750.88 μm () InGaAsP 1.3 1.5μm () InGaN 0.36 0.4μm (, ) 결정의종류와발진파장 사용하는결정재료에따라달라집니다. 또한, 1개의소자에서 2종류의파장을발진할수있는 2파장레이저다이오드도상품화되어있습니다. 주요용도 InGaAlP 레이저 : 광디스크플레이어 (DVD), 바코드리더 GaAlAs 레이저 : 광디스크플레이어 (CD/MD), 레이저프린터 InGaAs 레이저 : 광통신 InGaN 레이저 : 광디스크플레이어 ( 차세대 DVD) 동작원리레이저다이오드 (LD) 는, 발광다이오드 (LED) 와동일하게 PN 접합 (Double Hetero Junction) 으로만들어져있습니다. 그러나, LD는캐리어가즉시재결합하는 LED와는달리빛이소수캐리어의 재결합을여기해서동상의빛을방출합니다. 또한 칩의한쌍의단면이거울상이되어레이저공진기를 구성하고있습니다. 방출된빛은이공진기내를왕복하는과정에서 증폭되어, 칩외부로추출됩니다. 레이저다이오드 특징 LD는유도방출이라고하는발광과정을사용하기때문에코히런트 (Coherent Light) 즉, 단일파장및위상의빛을얻을수있습니다. 이때문에지향성이나 P 에너지밀도가뛰어납니다. N 반도체레이저의동작원리 레이저다이오드의패키지구조 50 51
수광디바이스 태양전지 태양전지는포토다이오드를이용하여빛에너지를전기 에너지로변환하는디바이스입니다. 순방향전압이인가되어도그전압이낮으면접합장벽에서공핍층 ( 空乏層 ) 이발생하므로광조사 ( 光照射 ) 로발생한자유전자-정공쌍 ( 正孔對 ) 은 반도체의기본구조인 PN 접합부는빛에매우민감합니다. 수광디바이스는그특성을이용하여광신호를전기신호 ( 전류또는전압 ) 로변환합니다. 서로분리되고순방향전압상태에서출력전류를유출합니다. 높은변환효율이요구되는용도에는단결정실리콘이나화합물반도체인 GaAs 등이 사용됩니다. 또변환효율은어느정도낮더라도큰면적과낮은가격이요구되는용도에는비결정성 수광디바이스 실리콘 (Amorphous Silicon) 이사용됩니다. 포토다이오드 PN 접합다이오드에빛이입사하면, 격자내에 P N 용도 시계, 전자계산기 태양광발전시스템 N P N 결합되어있던전자는결합이풀려자유전자가되어, 자유전자 - 전공쌍이됩니다. 역방향전압에의해 포토트랜지스터 발생한공핍층내또는그주변에서는광조사에의해 이디바이스는포토다이오드에증폭기를설치한 발생한자유전자 - 정공쌍이분리되어빛의강약에 트랜지스터라고생각할수있습니다. 비례한강도를갖는역전류가발생합니다. 이것을광전류라고합니다. 공핍층에서떨어진영역에서발생한자유전자-정공쌍은재결합해서열을발생하고소실합니다. (A) (K) I Photo 베이스와컬렉터를형성하는 PN 접합은빛을감지하는다이오드입니다. 이접합에서발생된광전류는빛에의해이미터측으로흐릅니다. 이이미터전류는트랜지스터의증폭작용에의해최초광전류의수백 (E) (B) (C) 용도 포토다이오드의동작원리 배로증폭됩니다. I Photo 광센서 리모컨 ( 적외선수광 ) 광차단검출 (A) 용도 광센서 광전스위치 포토트랜지스터의동작원리 E C E C (K) B PNP B NPN 포토다이오드의기호 포토트랜지스터의기호 52 53
CCD 이미지센서 CMOS 이미지센서 이것은다수의포토다이오드매트릭스와 CCD를집적한광센서입니다. CCD는포토다이오드에서발생한전하의어레이를차례로전송하여시계열전하로변환하는디바이스입니다. C: Charge C: Coupled D: Device 구조와동작원리 CCD는기판의표면에형성된 N형불순물층위에다수의 MOS형전극을체인처럼연결하여늘어놓은구조를가지고있습니다. 전송전극은 2층또는 3층의폴리실리콘을겹쳐서포개어놓은구조이며전극과전극의간격을가능한한작게형성합니다. 일련의전송전극에클록펄스를인가하면전극밑의전하는옆전극밑으로차례로이동합니다. 1 2 1 P P P PSi CCD 이미지센서이센서는 P형불순물층위에형성한포토다이오드, CCD, 신호검출회로로구성되어있습니다. 포토다이오드는빛을전자 ( 전하 ) 로변환하고, CCD는그전하를신호검출회로에전송하며, 전하가전압신호로변환됩니다. 포토다이오드를 1차원어레이로배치한센서를 " 리니어이미지센서 ", 2차원어레이로배치한센서를 " 에어리어이미지센서 " 라고합니다. CCD 이미지센서 ( 리니어타입 ) N P 특징 고감도 고해상도 저노이즈용도 이미지스캐너 다기능프린터 복사기 다수의포토다이오드매트릭스와 MOS 아날로그스위치를집적한광센서입니다. MOS 아날로그스위치는포토다이오드에발생한전하의어레이를시계열전하로변환하는디바이스입니다. CMOS 이미지센서 CMOS 이미지센서는 P형반도체기판위에포토다이오드와포토다이오드마다형성된 READ 트랜지스터회로와어드레스를지정하는주사회로로구성되어있습니다. READ 트랜지스터는주사회로에서지정한포토다이오드의전하를출력신호로서차례대로읽습니다. CCD 이미지센서가순차적으로전하를전송하여영상정보를출력하는반면, CMOS 이미지센서는세로와가로의트랜지스터동작을조합하여영상정보를출력합니다. CCD 특징 저소비전력 단일전원구동 시스템온칩 (SoC) 화가용이용도휴대전화, 휴대정보단말기, 디지털카메라, PC 카메라, 영상인식 ( 생체인증, 2차원바코드등 ) CMOS 이미지센서 ( 에어리어타입 ) CMOS 이미지센서의구성 CMOS CCD 의구조 CCD 이미지센서와 CMOS 이미지센서의동작비교 54 55
포토커플러 종류 응용회로에따라서다양한수광소자를가지는 포토커플러가있습니다. 전기적으로는수천 V 의절연분리상태에있는것이 트랜지스터출력 특징입니다. 달링턴트랜지스터출력 포토커플러는발광소자와수광소자를광학적으로결합 ( 커플링 ) 하여 1패키지내에조합한광복합디바이스입니다. 회로와회로 사이리스터출력 트라이악출력 IC( 로직 ) 출력 사이를전기적으로절연한상태에서신호를전달할수있습니다. 용도전자기기에서는마이컴등의직류전압계, 교류전압계, 전화회선계등의다른전원계가동일한장치내에배치되어있고상호간에신호를전달하고있습니다. 포토커플러 ( 패키지에 1 개나여러개를봉입한것, 표면실장타입도개발되었음 ) 내부구조각각의프레임에마운트된발광소자 ( 보통은적외 이러한다른전원계를직접결합하면동작상또는안전상의여러가지문제점의원인이됩니다. 하지만포토커플러를사용하면각전원계사이를절연한 LED) 와수광소자가광결합된상태로배치되어절연성 상태에서신호를전달할수있습니다. 수지로봉입되어있습니다. 가전제품, AV 기기 전원, 충전기 동작원리 전화, 컴퓨터 발광소자 (LED) 에의해서전기입력신호가빛으로 변환되고이방사된빛이수광소자에의하여다시전기신호로변환되어출력됩니다. 입력신호도출력신호도전기지만, 디바이스내부에서는 (LED) 빛에의하여신호전송을하고있습니다. 다시말해 포토커플러의내부구조예 IC 포토커플러의동작원리 다양한출력의포토커플러 56 57
포토릴레이 포토인터럽터 포토릴레이는포토커플러와비슷한구조지만, 공통소스에접속한 2개의 MOSFET으로출력단을구성하고있는디바이스입니다. 발광소자와수광소자를하우징내에서일체화하고빛의차단또는반사에의하여물체를검출하는것을목적으로한디바이스입니다. 포토릴레이 포토인터럽터 동작원리이디바이스는수광소자인포토다이오드를 특징온이나오프제어용디바이스로는메커니컬릴레이 투과형포토인터럽터동작원리 태양전지로써이용합니다. 적외 LED 에서빛을 ( 기계식접점 ) 가있습니다. 포토릴레이는신호용 일정간격을두고발광다이오드와수광소자를 방사하면, 수광소자 ( 태양전지 ) 에서광기전력을 메커니컬릴레이에비해서다음과같은점이 마주보게하여, 이사이를통과하는물체를수광측의 발생합니다. 이것이제어회로를통하여 MOSFET 의 뛰어납니다. 광량변화에의하여비접촉으로검출하는것입니다. 게이트전압을상승시켜서 MOSFET 을온상태로 동작속도가빠르다. 만듭니다. 제어회로는 MOSFET 의턴오프시간의 기계적인마모가없고수명이길다. 반사형포토인터럽터 단축과오프상태중에게이트전압을 0 으로유지하여 소형화및박형화가가능하다. 동작원리 MOSFET 의잘못된턴온을방지합니다. 용도 발광다이오드와수광소자를동일한방향을향하도록 전화, 교환기, 모뎀 배치한디바이스입니다. 발광다이오드가방사한빛이 측정기, 테스터 물체에반사되면이것을수광소자가수광하여물체를 투과형포토인터럽터의구조 검출합니다. 이것은반사형포토센서라고도합니다. 1 6 용도 LED 2 5 MOSFET 2 OA 기기 ( 프린터, 복사기 ) AV 기기 (VTR, 플레이어 ) 가전제품 ( 전자레인지, 팬히터 ) 3 4 동작원리 반사형포토인터럽터의구조 58 59
광통신용디바이스 (OCD) 광통신시스템의종류와사용디바이스 광통신시스템은대략적으로다음과같이분류할수 있습니다. 광통신용디바이스 (OCD: Optical Communication Device) 는발광측 (LED 또는레이저다이오드 ) 의신호를광섬유를사용하여수광측 ( 포토다이오드 ) 에전송하는광통신시스템에사용하는장치입니다. 광통신의원리 (1) 발광디바이스가입력전기신호를광게이트펄스로변환합니다. (2) 광게이트펄스가광섬유를통하여수광디바이스까지전송됩니다. (3) 수광디바이스가광게이트펄스를변환해서전기신호를출력합니다. 광통신의특징전선을이용한전기신호나전파를이용한전송에비하여광통신은다음과같은점이뛰어납니다. 광섬유가전자노이즈의영향을받지않는다. 광섬유에서는전자노이즈를방사하지않는다. ( 신호가누설되지않는다 ) 대용량신호를전송할수있다. 광통신의원리 광통신용디바이스 ( 단거리및중거리용 ) 광통신용디바이스 ( 중거리및장거리용 ) 60 61
로직 IC 로직 IC 및 LSI 의분류 바이폴라로직 IC, LSI 대표적인 CMOS 로직 IC/LSI TTL(Transistor Transistor Logic) 범용 CMOS 로직 이처럼커스텀 IC 와 ASIC 의경계가분명하지않고, 현재일부메이커에서생산하고있을뿐시장도축소 MPU(Micro Processor Unit) 커스텀 IC 를범용디바이스로변경할수있으므로 중입니다. MCU(Micro Controller Unit) 전자기기의동작에필요한내부신호처리는크게아날로그신호처리와디지털신호처리로나눌수있습니다. 전자는아날로그에서처리하고, 후자는로직 IC에서처리하며많은종류가있습니다. 카테고리를명확히구분하는것은곤란합니다. 로직 IC에는 MPR(Micro Peripherals) 로불리며, 하드디스크, 영상처리, 프린터용등주로 PC 주변기기에이용되는 LSI가있습니다. 메이커는 ASIC 수법으로개발을진행하는경우가많아서이또한분류를곤란하게합니다. ECL(Emitter Coupled Logic) NPN 바이폴라트랜지스터를비포화영역에서사용하고, 논리진폭을줄여서고속특성을얻어, 고속성이요구되는 IC 테스터, 고속통신등에이용하고있습니다. DSP(Digital Signal Processor) MPR(Micro Peripherals) ASIC(Application Specific IC) GA(Gate Array) SC(Standard Cell) 로직 IC 의분류는제조프로세스, 용도, 설계수법의 3 가지관점에서나눌수있습니다. 이러한점이분류를 점점더복잡하게만듭니다. IC 및 LSI 는제조프로세스에따라서크게 바이폴라계와 MOS 계로분류합니다. 또이 2 종류을 조합한 BiCMOS 도있습니다. 로직 IC 는디지털신호처리를취급하는 IC 및 LSI 입니다. 바이폴라계 ( 즉바이폴라로직 ) IC 는현재 DSP 의예 TTL과로직용 ECL뿐이며, 일반적으로로직 IC란 CMOS 로직계및 BiCMOS계를나타내는것으로생각할수있습니다. 또한, 로직 IC는 (1) 범용로직및 MPU 등의표준품, (2)ASIC( 특정용도용 IC), (3) 자사사양에맞추어개발하는커스텀 LSI로분류합니다. ASIC도 ASCP( 고객전용 ) 과 ASSP( 분야전용 ) 으로분류합니다. 또 ASCP는다시게이트어레이 (GA), 필드프로그래머블게이트어레이 (FPGA), 스탠다드셀어레이 (SC), 임베디드셀어레이 (ECA) 등으로분류합니다. 단, 커스텀 IC라해도, 통신용이나디지털가전, 차량용등시스템의기본회로는동일하므로, 개발플랫폼등의설비는일반적으로반도체메이커가제공합니다. 이러한플랫폼상에서커스텀 IC를설계함으로써개발기간을단축할수있습니다. 각종로직 IC 62 63
CMOS 와인버터회로 SP TP CMOS 회로는 P채널및 N채널의양쪽 MOS 트랜지스터로구성된회로입니다. 소비전류가적고고속화가용이, 노이즈에강하며, 입출력풀스윙등의특징이있어서, 현재의 LSI는대부분이기술에기반하여구성됩니다. 장점 소비전력이매우적다 동작속도가빠르다. 비교적노이즈에강하다. TTL과양립 (Compatible) 할수있다. 저전압동작이용이하다. 단점 CMOS 인버터의기호와동작 G VIN TN SN CMOS 인버터의회로도 DP DN VOUT 제조프로세스가복잡하고길다. 용도 CMOS 기술 범용로직 (TTL 로직포함 ) CMOS 구조는, N 형기판속에 P 채널트랜지스터를 대부분의디지털 LSI(MPU, MCU, DSP, 화상처리용 형성하고, N 형기판속에커다란저농도의 P 형 LSI, 음성데이터처리 ) 영역 (P 웰이라고함 ) 을만들고, 그 P well( 우물 ) 속에 전자계산기, 시계, 게임 N채널트랜지스터를형성합니다. 또, 이것과는역으로 P형기판을사용하여, N well( 우물 ) 을만드는경우도 포켓컴퓨터 전화기 있습니다. 인버터 메모리 (RAM, ROM) 커스터마이즈로직회로등 로직 IC/LSI의기본회로입니다. 그림과같이, N형또는 P형트랜지스터 (TN, TP) 가직렬로연결된인버터회로를예로들어설명합니다. 게이트G에 "1" 의신호 (SP전위) 가들어가면 TN은턴온이되지만, TP는 턴오프가됩니다. 역으로 "0" 의신호 (SN 전위 ) 가 들어가면 TN 은턴오프가되고 TP 는턴온이됩니다. 따라서어느입력에대해서도트랜지스터의한쪽은 오프상태이며, SP에서 SN으로전류는흐르지않고적은전류밖에소비하지않습니다 (PMOS, NMOS에비하여 1/100 ~ 1/1000). On/Off 전환시기생용량의충방전때문에, 동작주파수가증가하면서소비전류도늘어납니다. 예 : CMOS 인버터의구조도 64 65
범용로직 (CMOS) 이들은각각의고유기능을지닌 IC제품군으로서최종적으로디지털회로를구성하게되는데게이트, 버퍼, 플리플롭등이있습니다. 또기능, 핀배치, 전기적특성모두세계적으로표준화되어있습니다. 이제품의프로세스기술은대부분 CMOS이며일부는 BiCMOS, 바이폴라입니다. 1A 1 1Y 2 2A 3 2Y 4 3A 5 3Y 6 GND 7 14 V CC 13 6A 12 6Y 11 5A 10 5Y 9 4A 8 4Y 그림 1 게이트 IC 의예 / 74VHC04 주요기능 논리연산기능 ( 게이트회로 ) 그림 1 스위치기능 데이터저장기능그림 2 버스드라이버 ( 버퍼 ) 기능그림 3 카운트및분주기능 레벨시프트기능 1CLR 1 1D 2 1CK 3 1PR 4 1Q 5 1Q 6 GND 7 CK Q CK Q D Q D Q 14 V CC 13 2CLR 12 2D 11 2CK 10 2PR 9 2Q 8 2Q 그림 2 플립플롭 IC 의예 / 74VHC74 * 품명과표준화 74xxx 의품명이붙는범용로직은 74규격으로기능및핀배치가표준화되어있습니다. 품명 ( 상기의 "xxx" 부분 ) 이동일한경우, 제품의기능및핀배치는제작회사및시리즈에관계없이동일합니다. 1G 1 1A1 2 2Y4 3 1A2 4 2Y3 5 1A3 6 2Y2 7 1A4 8 2Y1 9 GND10 20 VCC 19 2G 18 1Y1 17 2A4 16 1Y2 15 2A3 14 1Y3 13 2A2 12 1Y4 11 2A1 범용로직 IC 의종류 * 범용로직은예전에는바이폴라계로직이사용되었습니다. 현재에는저소비전력및저전원전압에대응하기쉬운 CMOS 로직이주로사용되고있습니다. 또한바이폴라계에서도 ECL은초고속응용분야 ( 고 또데이터처리속도와구동용량은시리즈명으로구분합니다. 바꾸어말하면메이커와상관없이 그림 3 버퍼 IC 의예 / 74VHC244 속테스터등 ) 에사용되고있습니다. 시리즈명이같으면성능이동일한레벨임을나타냅니다. 각시리즈에는수십에서백여개이상종류의제품 ( 기능 ) 이있습니다. TC 74 VHC 244 FT EL 제품명보는법 66 67
마이크로컴퓨터 CISC 와 RISC (1) 어드레스버스 : 메모리나 I/O의어드레스 ( 번지 ) 를지정하기위한신호선 CISC 계와 RISC 계의마이컴 마이크로컴퓨터 ( 줄여서 " 마이컴 " 이라함 ) 란컴퓨터로서필요한기능을 LSI에실장한소형컴퓨터입니다. 일반가전제품부터컴퓨터나소형제어기기에이르기까지폭넓은시스템에응용되고있습니다. 마이컴은연산및제어를실행하는 CPU( 중앙연산처리장치 ), 기억을실행하는메모리, 외부와의입력및출력을실행하는 I/O의 3부분으로구성되어있습니다. 이들간의데이터교환에는다음의 3개버스를사용합니다. (2) 데이터버스 : 어드레스버스에지정된메모리나 I/O에데이터를전송하기위한신호선 (3) 제어버스 : 메모리나 I/O에대하여데이터의읽기또는쓰기를지시하거나 CPU가요구하는다양한처리를실행하는신호선대규모시스템은위의 3개구성요소를집적화한 LSI의조합을사용하고있으며, 소규모시스템은구성요소를단일칩상에실장한 1개의 LSI을사용합니다. 컴퓨터의심장부에해당하는 CPU에는크게나누어 2종류가있습니다. CICS는복잡하고고도의기능을실현하는명령을가지고성능향상을꾀한것입니다. 한편 RISC는명령세트를단순화하여명령실행시간의고속화를꾀한것입니다. CISC 방식 1개의처리에필요한명령수를적게하여성능향상을꾀하고있습니다. 1개명령으로복잡한동작을실행하기때문에, CISC(Complexed Instruction Set Computer: 복잡명령세트컴퓨터 ) 방식이라고합니다. 반면, 명령이가변길이를가지며복잡하기때문에해독에시간이걸리거나실행하기위한내부회로가복잡해지는등하드웨어설계에부담이 RISC 방식명령이소수이고단순하므로실행시간의고속화를꾀하고있습니다. 명령은길이가정해져있기때문에디코딩회로나실행회로의규모가작습니다. 명령은단순하므로 RISC(Reduced Instruction Set Computer: 축소명령세트컴퓨터 ) 방식이라고합니다. 명령수가적기때문에소프트웨어작성에부담이있지만 C언어등의고급언어를사용해서개발효율을향상할수있습니다. 있습니다. 명령의종류 명령의포맷 CISC 복잡하고고도의기능을실현하는명령을가짐 복잡하고다양한어드레스모드를가짐 메모리를액세스하는명령이풍부 명령길이가다양하다 포맷이복잡하고다양하다 RISC 단기능의기본명령으로한정 어드레스모드가적다 메모리액세스는로드및스토어명령에한정 명령길이는고정 (3 비트가많다 ) 심플한포맷 명령의실행속도 수클록이걸린다 1 클록에실행 명령실행의회로 마이크로 ROM 이사용되는경우가많다 비파이프라인처리나, 단순한파이프라인처리 하드와이어드로직이사용된다 파이프라인최적화, 수퍼파이프라인및슈퍼스케일러기술의도입에의한명령실행의최적화 범용레지스터수 적다 (8 개정도 ) 많다 (32 개타입이많다 ) 68 CPU 와각종버스접속도 CISC 와 RISC 의특징 69
마이크로프로세서유닛 (MPU) Micro Peripheral(MPR) 메모리나 I/O 를조합하여컴퓨터를구성합니다. 다이렉트메모리액세스컨트롤러 (DMAC) DMAC 를이용하면 MPU 에접속하지않고, 직접주변 MPU는컴퓨터에필요한연산및제어기능을 1개의칩에집적한 LSI입니다. 종래에는다수의 IC를조합시켜 CPU를구성하였으나반도체집적회로기술의발달로 1개의 MPU에실장할수있게되었습니다. MPU의기본동작현재의컴퓨터는메모리에서명령을꺼내서순서에따라하나씩실행해가는노이만형이거의대부분입니다. MPU는메모리에저장된프로그램을읽어서거기에쓰여진명령을해독하고, 그지시에따라데이터를메모리에저장하거나꺼내는등의작업을 Micro Peripheral( 주변 LSI) 는 MPU와입출력기기사이에서인터페이스를제공하는 LSI입니다. 주로 MPU를서포트하는 LSI와, 주변기기의제어및데이터전송을실행하는 LSI로분류되며, 용도에따라다양한종류가있습니다. 기기나메모리사이에서고속으로데이터전송을할수있습니다. DMAC 가데이터전송을하고있는동안에도 MPU 는다른처리를실행할수있으므로시스템효율을대폭향상시킬수있습니다. 주변제어용 MPR 실행합니다. 리얼타임클록 (RTC) 시스템용의시계전용 LSI 입니다. MPU 데이터버스를 사용하여시각데이터의입출력을실행합니다. 보통 MPU 란? MPR 은 MPU 의부담을가볍게하고, 마이컴시스템 전용전지가준비되어있어시스템의전원이꺼져 마이컴의구성요소가운데연산부와제어부를합친 전체의성능을향상시키기위하여사용됩니다. 전용 있어도시계동작을유지하도록되어있습니다. 심장부를 CPU 라고하며, 이 CPU 를 1 개의 LSI 에 LSI 에서주변기기를제어하기때문에소프트웨어에 실장한것이 MPU( 마이크로프로세서유닛 ) 입니다. 대한부담도경감할수있습니다. 그래픽스용이나 하드디스크컨트롤러 (HDC) MPU 단독으로는컴퓨터로서동작할수없으므로 MPEG 등화상처리, 음성인식등의고속처리가필요한 하드디스크드라이버를제어하는전용 LSI 입니다. 분야로응용을확대하고있습니다. 하드디스크는고속에서대용량데이터를기억할수 있기때문에주로컴퓨터보조기억장치로사용되고 MPU 서포트용 MPR 있습니다. 메모리관리유닛 (MMU) 다양한메모리를대량으로사용하는시스템에서는 그밖에도화상처리용그래픽디스플레이컨트롤러 메모리의관리가복잡하기때문에 MMU 를사용하여 (GDC), CD-ROM/DVD-ROM 구동용서보 MPU 의부담을가볍게합니다. 프로세서, 오디오용디지털시그널프로세서 (DSP) 등 프로그래머블인터럽트컨트롤 (PIC) 다양한전용 MPR 이있습니다. 다수의인터럽트입력이필요한시스템에서는 PIC에서인터럽트처리기능을확대합니다. 주변기기가많이연결되어있는경우에처리를관리합니다. 마이크로프로세서의기능유닛예 70 71
마이크로컨트롤러유닛 (MCU) 마이크로컨트롤러유닛 (MCU) 은연산이나제어를실행하는 MPU 기능에기억기능, 입출력제어기능을추가하여 1개의칩 LSI에집적한장치입니다. 원칩마이컴이라고도합니다. MCU란 MCU는 1개의 LSI 속에응용기기에필요한대부분의기능을탑재하고있습니다. 회로를극히소형화할수있기때문에값이싸고양산에적합합니다. 가전기기나산업기기등에끼워넣은컨트롤러로서많이이용되고있습니다. 내장해야할주변기능은응용기기에따라달라지므로, 특정용도목적의성격이강하며각종용도에부응하여다품종의 MCU가만들어지고있습니다. 칩블록도 ( 예 ) 마이크로컨트롤러의내부구성예 컬러시리얼프린터에의 MCU 응용예 72 73
마이크로컴퓨터개발시스템 테스트도구 오브젝트파일의동작확인을실행하기위한시스템의 마이크로컴퓨터를응용한제품을개발하려면제품그자체 ( 하드웨어 ) 와제품을동작시키는프로그램 ( 소프트웨어 ) 이필요하게됩니다. 그런제품의개발및검증을하기위하여필요한도구류를총칭하여개발시스템이라고 총칭입니다. < 디버거 > " 시뮬레이터 " 나 " 에뮬레이터 " 의사용자인터페이스입니다. 합니다. < 시뮬레이터 > MCU 동작을소프트형식으로모의하는소프트웨어 입니다. 컨트롤러시스템이필요없으며논리에러의 언어도구언어도구는사용자소스프로그램을코딩, 컴파일, 어셈블리, 링크로이어지는일련의작업을하여오브젝트파일을출력하기위한시스템의총칭입니다. 설계지원도구 (CASE 도구 ) 디버깅에적합합니다. < 실시간에뮬레이터 > 실제시스템상에서동작확인을실행하는방법으로, " 에뮬레이션컨트롤러 " 나 " 에뮬레이션포드 " 를조합한시스템의총칭입니다. 여기에사용자인터페이스인 CASE 도구는설계공정부터프로그래밍공정, 그리고도큐멘트제작을중심으로한보수공정을지원하기 " 디버거 " 를추가한것을 " 실시간에뮬레이션시스템 " 이라고합니다. 개발시스템의개념도 위한시스템명칭입니다. < 액세서리도구 > 플랫폼소프트웨어플랫폼소프트웨어는사용자소스프로그래밍에특정기능을제공하는소프트웨어의총칭입니다. 실시간에뮬레이터와사용자시스템을연결하기위한도구의총칭입니다. LAN (10BASE-T 대응 ) Ethernet 허브 < 리얼타임 OS> 타깃 임베디드시스템에서멀티태스크동작을제어하기위한소프트웨어입니다. < 미들웨어 > 종래에는하드웨어에서실현하던기능을소프트웨어 에뮬레이션컨트롤러 에서실현합니다. 에뮬레이션포드 시스템의구성예 74 75
시스템 LSI 시스템 LSI는주로디지털가전, 셀룰러등의통신용, 그리고차량탑재용으로서필요한 기능을집적한대규모기기전용 LSI입니다. 응용분야의확대와아울러여러가지시스템 LSI의개발이진행되고있으며천만게이트를 넘는것도등장하고있습니다. 디지털카메라에사용된시스템 LSI 시스템 LSI 의명확한정의는없고각회사마다다른 단일칩의마이컴이나전자계산기용, 클록용 LSI, 방식으로정의하고있는상태입니다. 주요예는다음과같습니다. 멀티플코어유닛 (MPU, 메모리, 로직또는아날로그 ) 을가지는모놀리식 LSI 시스템또는서브시스템의주기능을담당하는 LSI 10만게이트이상의 LSI 단수또는복수사용자를위한특정용도용으로개발된 LSI SRAM이나플래시의멀티칩패키지제품, 시스템모듈 LSI에는해당하지않는것으로취급하고있습니다. 시스템 LSI의구체적인응용분야로는디지털가전 ( 디지털 TV, 세트톱박스, DVD, 디지털스틸카메라, 디지털비디오카메라등 ), 컴퓨터및주변기기용 (MPEG, 그래픽스등영상처리, 하드디스크용모터및헤드제어 ), 통신용 ( 네트워크, 셀룰러등 ), 차량탑재용 ( 엔진제어, 내비게이션, 지능형교통시스템등 ) 차세대멀티미디어단말 LSI 의시스템도 등이있으며, 나아가일부산업용으로도개발되고있습니다. SW BPF VCO BPF PLL PLL VCO BPF RSSI AD TDMA Mux/Demux MCU CISC/RISC BPF AGC DA SRAM 시스템 LSI 는많은마이컴, LSI, 아날로그 IC 를한개의칩에집적하고있다 휴대전화의블록도 76 77
DSP 그러나, 일반 MPU도고속화는진행되고있으며앞에서설명한특징을가진것도개발되고있습니다. 이처럼고속화를실현하기위하여 DSP가갖고있는아키텍처 또한, DSP의응용분야에고속의 RISC 프로세서가사용되는경향이있습니다. 고속연산처리가필요한응용분야에서는지금까지처럼 RISC와 DSP의 고속화데이터어드레스계산유닛을갖는다. 및하드웨어라는몇가지일반적인기능을 MPU 에서도 절대적으로경쟁없는공존은가능하지않을것 이미사용하고있다는점즉, 고속화를위해 MPU 와 같습니다. 차후 RISC 에 DSP 의하드웨어의일부 이것은명칭 (Digital Signal Processor) 이 또한, 필요에따라서고속 AD 컨버터를가지는점 동일한아키텍처를사용하는경향이강한점으로 및주요기능을탑재하거나또는그반대의경우도 나타내는것처럼디지털신호처리에특화된 등을들수있습니다. 즉, DSP 는고속승산기를 미루어 MPU 와 DSP 의구별이점점애매해질것으로 있으므로양자의경계는점점불분명해져가는경향이 프로세서입니다. 일반적으로 "DSP" 라고 중심으로하바드형아키텍처, 프로그램메모리를분리, 예측됩니다. 있습니다. 불리며신호처리용프로세서내부의하드웨어 고속화데이터어드레스계산유닛을가지고있는 또는아키텍처는일반 MPU 와크게다른점이 프로세서입니다. 용도 시스템 LSI 는필요한기능에맞추어최적의신호처리 몇가지있습니다. 예를들면, 이러한아키텍처에의하여승산과그 디지털 TV 등디지털가전기기의각종신호처리용 알고리즘과그에필요한아키텍처를가질필요가 연산결과의누적가산이필요한디지털필터에서는 디지털셀룰러의아날로그, 디지털베이스밴드처리, 있으며, DSP 또는 RISC 프로세서나아가 CISC 일반적인프로세서의십여배의속도로연산이 음성압축, 변조및복조용 프로세서가가지는주요기능과하드웨어를탑재하는 가능합니다. 하드디스크나 DVD-ROM 등저장기기의스핀들 경향이있습니다. DSP 의중요한특징은다음과같습니다. 모터나헤드 ( 픽업 ) 액추에이터회전제어및정밀위치 고속승산기 ( 통상연산결과의누적가산기능도 결정용 탑재 ) 를갖는다. 서보모터의토크제어, 속도제어, 정밀위치결정용 하바드형아키텍처를갖는다 ( 프로그램계열과데이터 계열에복수의전용버스를가진구조 ). 프로그램메모리와데이터메모리를분리한다. DSP IC 의구성예 CD 용 DSP ( 응용에특화한전용 DSP 의예 ) 78 79
ASIC 임베디드어레이임베디드어레이는게이트어레이의마스터에셀 베이스 IC 의고집적메모리나고기능마크로셀을 내장한방식입니다. 셀베이스 IC 처럼집적도및 고기능이라는특징과게이트어레이처럼짧은 ASIC(Application Specific Intergrated 개발기간이라는양쪽의특징을모두가지고있습니다. Circuit) 은특정용도용 IC 의총칭이며 완전주문형 LSI, 반주문형 LSI 등여러가지 LSI가포함됩니다. 대표적인 ASIC에는게이트어레이, 셀베이스 IC, 임베디드어레이가 장점 소형화, 경량화 고신뢰성 있습니다. 개발효율의향상 각종 ASIC 의집적도와개발기간 고속화 저가격화 기밀유지기능 게이트어레이 저소비전력화 게이트어레이는반주문형 LSI 의한가지로마스터라고 하는미리준비한웨이퍼를사용합니다. 마스터는 용도 트랜지스터의어레이로구성되어있습니다. 게이트 컴퓨터, 엔지니어링워크스테이션, 컴퓨터관련기기 어레이의제조는논리설계를종료한후마스터에 OA 기기 배선하고원하는논리회로를구성하는것으로 통신기기 완료합니다. 이때문에개발기간이짧아집니다. 디지털 AV 기기 일반산업용전자기기 셀베이스 IC 가정용전자기기, 게임기등 셀베이스 IC는최적으로설계한내부로직이나메모리, 아날로그회로를셀로서미리준비해놓고그것들을조합한 LSI입니다. 셀베이스 IC는제조를 CMOS ASIC 칩의사진 전공정 ( 확산공정 ) 에서부터시작하기때문에게이트 어레이에비하여 LSI 칩의제조기간이깁니다. 단, 설계의자유도가높고, 고기능, 고집적화가가능한특징이있습니다. 셀베이스 IC 의설명도 임베디드어레이의개념 80 81
ASIC 제품개발흐름 사용 EDA 도구 Verilog 시뮬레이터도구 VHDL 시뮬레이터도구 타이밍해석도구 배선레이아웃 MPU ASIC 제품개발은시스템규격결정부터 1 차사인오프를끝낸게이트레벨설계기술 ( 記述 ) 을 실제제조까지다양한 EDA(Electronic Design Automation) 도구에의하여처리및 토대로타이밍제약을만족하도록배선레이아웃을합니다. 배선레이아웃을끝내면실제배선레이아웃을 RAM 검증됩니다. 토대로타이밍정보가산출됩니다. 사용 EDA 도구 배선레이아웃도구 CTS(Clock Tree Synthesis) 도구 논리합성, 테스트설계논리합성도구를사용하여, 상위의설계기술 ( 記述 ) 을토대로게이트설계기술 ( 記述 ) 을생성합니다. 또설계할때에는필요에따라테스트도고려합니다 논리시뮬레이션및타이밍해석 ( 배선레이아웃후 ) 실제배선레이아웃의결과를사용하여검증합니다. 해석내용은배선레이아웃전과똑같습니다. 결과에 사용 EDA 도구 문제가없으면 2 차사인오프됩니다. 하지만위반이 논리합성도구 있으면다시회로수정을실시하고배선레이아웃 테스트설계도구 공정으로피드백해야합니다. 논리최적화 사인오프 : 반도체메이커와사용자간에 LSI 설계의 ASIC 의제품개발흐름 (2) 논리시뮬레이션타이밍해석중에위반이발생한 유효성을확인및승인하는것 경우는회로의수정이필요합니다. 위반장소와 정도가중대한성질이아니면원래회로를부분적으로 수정해서대응합니다. 타이밍위반의회로수정은논리합성도구를사용하여처리할수있습니다. 논리시뮬레이션및타이밍해석 ( 배선레이아웃전 ) 추정치를가지고시뮬레이션합니다. 위반이없으면 1차 사인오프하지만, 위반이있으면논리최적화가필요 합니다. ASIC 의제품개발흐름 (1) 완성품 ASIC( 표면 ) ( 뒷면 ) 82 83
IP LSI의대규모화, 다기능및복잡화, 고성능화에도불구하고, 회로설계검증을포함한 LSI개발기간의 연장은허용되지않는상황입니다. 이러한상황에 있습니다. 대응하기위한매우효율적인방법은검증이완료된 IP(Intellectual Property) 는일반적으로특허나지적재산을의미하지만, 반도체분야에서는설계가끝난기능회로블록 ( 코어, 셀 ), 즉설계자산을의미합니다. 하드웨어 IP와소프트웨어 IP가있으며, 그것을이용하는것이 LSI 설계의고효율화의열쇠입니다. IP 이용의유효성 LSI의고집적화와함께하나의칩에집적되는기능의종류도다양해지고있습니다. 예를들면, 멀티미디어관련시스템에서는화상처리, 통신제어, 데이터처리, 데이터축적등다양한기능이조합되어있습니다. 이기능을하나의칩위에집적하기 설계자산 (IP) 을이용해서설계부담을대폭적으로삭감하는것입니다. 위해서는디지털논리회로, 아날로그, 메모리등다른디바이스나회로기술의혼재도필요합니다. 또한 시스템제품을시장에투입할때까지의기간단축 IP 의종류 IP 에는설계자산에의하여크게 2 가지로분류되고 요구도점점높아지고있습니다. 있습니다. 하드웨어 IP( 하드매크로 ) LSI 제조용마스크데이터. 아날로그나레이아웃에따라서는타이밍이엄격해지는 IP. 소프트웨어 IP( 소프트매크로 ) RTL 또는네트리스트. 대부분의디지털로직 IP 차세대공정기술으로의변천에대응용이. IP의유통과표준인터페이스화의중요성하나의회사가필요한 IP를모두준비하고시의적절하게공급하는것은어려운상황입니다. 시스템기기메이커에서는성능및기능을향상시키기위하여, 부가가치가높은 IP는자사가개발하고그외의표준 IP는외부 ( 반도체벤더나 IP 전문벤더 ) 에서조달하는방식이필요합니다. 또, 다른공급원에서조달한 IP를조합해서시스템 LSI를효율적으로개발하기위해서는열린표준인터페이스가필요하며, 현재 VSI(Virtual Socket Interface) 연합회외에도몇몇표준화 단체가이와같은표준인터페이스의구축을추진하고 IP 를조합한시스템 LSI 주요 IP 응용분야 84 85
프로그래머블디바이스 (CPLD/FPGA) CPLD(Complex Programmable Logic Device) 복수논리블록 (PLD 블록 ) 을가지며내부배선망에서프로그래머블디바이스는 RAM/ROM을블록끼리자유롭게접속할수있는구조를가지고사용하여프로그램이가능한영역을준비하고있습니다. 이디바이스는일반적으로 EEPROM이나사용자가임의의회로를프로그램 ( 실현 ) 할수 FLASH를베이스로하고있습니다. 있는디바이스입니다. 대표적인디바이스로는 CPLD와 FPGA가있습니다. FPGA(Field Programmable Gate Array) 이것은사용자가기능을자유롭게설정하거나변경할수있는플립플롭등의기억소자도포함된집적회로입니다. FPGA는전반적인상호접속이가능한논리셀배치구조로 2가지타입이있습니다. 이것들은 CPLD에비하여용량이커서대규모회로에적합합니다. (SRAM 베이스 ) 리프로그래머블 SRAM을이용하여상호접속이나룩업테이블 (LUT) 의로직을결정하는것으로몇번이든다시쓰기가가능합니다. 단, 전원을끄면기록한내용이저장되지않으므로기판에 SRAM을심을때전지를설치하거나비휘발성메모리를준비하여내부에배선정보를기억시키고전원을투입했을때그내용을로드하는 방식을사용합니다. 원타임프로그래머블 (OTP) 안티퓨즈를상호접속한것으로한번쓰고나면다시쓰기가불가능합니다. 장점 짧은개발 TAT( 총처리시간 ) 싼개발비용도 컴퓨터, 엔지니어링워크스테이션 (EWS), 컴퓨터관련기기 통신기기 디지털 AV 기기 일반산업용전자기기 가정용전자기기, 게임기등 CPLD 의구조 FPGA 의구조 86 87
복합소자기술과임베디드기술 이것은아날로그신호처리회로, 디지털신호처리회로, 파워소자, 메모리등을원칩화하는기술이지만, 혼재하는회로, 소자에따라몇가지종류가있습니다. 이러한반도체소자들을원칩화함으로써소형화는물론신뢰성향상, 비용절감을꾀할수는있지만, 각반도체의제조프로세스상의차이로발생하는제반 있습니다. 현재는 SoC 에메모리를혼재하는방식, 전용 LSI 에 문제를해결할필요가있습니다. 예를들어, 디지털과아날로그신호처리를원칩화 표시용디바이스나모터, 솔레노이드등액추에이터의 예전에는, 고집적도의메모리프로세스에서고속화를 명확한정의는없지만, 복합소자기술에는바이폴라형과 CMOS 로직또는파워소자등을모놀리식화하는제조기술이있습니다. 또한임베디드기술은시스템 LSI, ASIC 등의로직 LSI에메모리를혼재하는기술을말합니다. 하거나마찬가지로디지털신호처리와전력제어회로를원칩화하기위해필요한반도체기술로서복합소자기술이있습니다. 또한로직 IC 안에아날로그계회로, 전력소자 ( 바이폴라파워트랜지스터, 파워 MOSFET, IGBT 등 ) 를혼재하는공정도있습니다. 이것도임베디드 드라이버를내장하는방식, 로직 LSI에일부아날로그회로를혼재하는방식등여러종류의임베디드 LSI, 복합소자디바이스가개발되어있습니다. 임베디드기술전자기기는한종류의반도체만으로구성되는경우는 추구하는로직을혼재하는경우도있었습니다. 하지만현재는동일한프로세스에서메모리와로직을모놀리식화, 즉혼재하는방식이사용되고있습니다. 기술이라할수있겠지만, 일반적으로는복합소자 드물고통상많은반도체가사용됩니다. 예를들면, 기술이라고합니다. 대표적인예로는 BiCMOS, 그림에나타낸 PDA( 휴대정보단말기 ) 는신호처리 IPD(Intelligent Power Device) 등이있습니다. 회로하나에도전용 LSI, 마이크로프로세서, 메모리, 복합소자기술 드라이버 IC 등많은종류의반도체를이용하고 전자기기에는디지털신호처리, 아날로그신호처리, 있습니다. 대전력제어및고주파신호처리등많은신호처리가 있으며, 각각의용도에적합한반도체가이용되고 DSU RTC ROM SDRAM PDA 의시스템구성 88 89
SoC 와임베디드기술 임베디드메모리기술 DRAM 을혼재한 SoC 를이용할경우, 그래픽스등의화상처리가필요한 SoC 에는 패키지총핀수를삭감할수있고, 실장시의 메모리를혼재하여, 신호처리의고속화를 공간절약화, 고속화이외에도많은장점이 꾀하고있습니다. 있습니다. 또, 플래시메모리의혼재로 IC 설계 용이화, QTAT 화를꾀할수있습니다. 물론 SoC 에도임베디드기술이이용되고있습니다. 오늘날, 마이컴에메모리를혼재한다고하면, 반도체내부배선에비하여길고동시에신호의 아래사진의 LSI 는휴대 TV 전화나멀티미디어 그러나다른소규모로직 IC 와는이용방법이약간 일반적으로저장한프로그램등을후공정에서수정할 배선지연에깊이관계하는부유용량및배선저항이 브라우저에필요한복수통신처리부나 12Mbit 다릅니다. 즉, SoC 이외의다른로직 IC 에서는단순한 수있도록플래시메모리또는대용량 DRAM 을 큰외부메모리에접속하지않으므로지연을감소할 DRAM 을탑재함과동시에, CMOS 형고체촬상소자나 원칩화로, 신뢰성향상이나소형경량화등의장점은 혼재한다는의미가일반적입니다. 수있습니다. 아울러내부버스는반도체내부에서 액정패널과접속하기위한화상입출력인터페이스 있지만 SoC 처럼신호처리상의특성향상을목적으로 아래사진의 LSI 는, 마이크로프로세서, 가변구성 자유롭게설정할수있기때문에병렬처리가자유로워 회로를혼재하고있습니다. 이용되는경우는극히드뭅니다. 미디어프로세서를채용하여애플리케이션에맞추어 고속화를꾀할수있는등, 특히신호처리의고속화에 기능을주문할수있는 IC 입니다. 장점이있습니다. SoC 의경우는신호처리상의특성향상및개발시간의 이 LSI 는화상, 통신, 음성등의데이터처리시스템에 단축이라는목적이가미되어, 이것을실현하기위해 적합합니다. 또한 EMI(Electro Magnetic Interference, 적극적으로임베디드기술을이용하고있습니다. 전자파장해 ) 대책에서도유효하며자유롭게메모리 예를들어메모리를혼재하면외부에연결하는종래의 용량을설정할수있는장점도있습니다. 이처럼 메모리에서는불가능했던메모리버스길이의자유로운 메모리를혼재한 LSI 는단순히외부메모리의내장이 결정이가능하게되어, 병렬처리에의한고속화를 아니라, 화상처리나그래픽스등초고속신호처리가 꾀할수있습니다. 또한메모리를외부접속한경우에 필요한회로에적극적으로이용되고있습니다. 발생하는배선에의한신호지연문제가해결되는 이점도있습니다. 또, 다시쓰기가가능한플래시메모리를혼재하고 또한플래시메모리를혼재하여프로그램다시쓰기도 여기에기록한프로그램은설계후에도수정할수있기 가능하게되어개발유연성을향상할수있으며, 때문에융통성있는개발양산체제를구축할수도 개발에서양산까지의시간을단축할수있게됩니다. 있습니다. 한편마이컴은통상프로그램등을저장하기위한 ROM이나 RAM 메모리를탑재하고있지만, 이것을임베디드메모리기술이라고하지는않습니다. ITS( 고도교통시스템 ) 용화상인식 LSI 휴대전화용 MPEG4 대응 DRAM 임베디드 SoC 90 91
SOI, IPD, BiCMOS 기술 BiCMOS 이것은아날로그계신호처리에적합한바이폴라 소자기술과로직계신호처리에적합한 CMOS 기술을 융합한프로세스기술입니다. SOI는소자간의분리방법으로종래의 PN 접합대신절연체인실리콘산화물을이용하는프로세스기술입니다. 또전력소자, 로직, 아날로그회로를혼재하는프로세스기술로서 IPD, BiCMOS 기술이있습니다. IPD 의칩사진 전력을취급하는고내압계및대전력계 BiCMOS 기술과대전력은취급할수없는고주파 ( 및고정밀도아날로그계 ) 및로직계신호처리를할수있는고주파 BiCMOS 기술이있습니다. 오른쪽그림은위에서설명한 BiCMOS 중에서후자의특징을살린 TV용복합신호 LSI의블록도, 칩사진, 구조도입니다. TV 용 LSI 에서는아날로그 CMOS TV 신호처리 LSI 블럭도 기술의도입으로필터회로의내장화도진행하고 SOI IPD(Intelligent Power Device) 있습니다. SOI(Silicon On Insulator) 는실리콘산화물의절연체 IPD 는로직회로, 아날로그회로, 그리고파워소자를 위에단결정실리콘을형성하는프로세스기술입니다. 내장할수있도록하는수백에서수천소자의비교적 IC 가많은소자를하나의칩상에집적할수있는것은, 소규모복합소자기술에의한디바이스입니다. 각소자사이를분리하고있는 P 형및 N 형반도체 용도는차량탑재용 (ABS, 에어백등 ), 각종모터 영역에역방향전압을인가하여각소자를전기적으로 드라이버, 램프드라이버, 솔레노이드드라이버등이 분리하고있기때문입니다. 있습니다. 출력 PW-MOS, Nch MOS, Pch MOS, PN 접합을역방향전압을인가하여분리하는방법은, PNP Tr, NPN Tr, 저항, 콘덴서등모든소자를 기생소자에의한결함이나리크전류에의한각종 하나의칩상에구성할수있는프로세스이며다기능 문제가있습니다. 이것을절연체인실리콘산화물을 제품에적합합니다. 또, 간단한프로세스로 MOS- 이용해서개선하는프로세스가 SOI 기술입니다. FET 에과전류및과열보호기능회로를내장시킨복합 LSI 의칩 SOI 는크게나누면파워계와신호계가있습니다. MOSFET 도있습니다. 복합 MOSFET( 싱크드라이버 ) LSI 의구조도 92 93
반도체메모리 반도체메모리는문서데이터나화상데이터, 프로그램등의정보를기억하고, 필요할때그정보를꺼낼수있는기능을갖춘소자입니다. 반도체메모리 반도체메모리는고속으로읽기및쓰기가가능한 RAM ROM(Read Only Memory) 으로크게나눕니다. (Random Access Memory) 과주로읽기만하는 메모리의종류 컴퓨터시스템의메모리계층구조 94 95
RAM(Random Access Memory) RAM에는전원을끄면데이터가소실되는휘발성의 DRAM(Dynamic RAM) 과 SRAM(Static RAM), 데이터를유지할수있는비휘발성의 FeRAM(Ferroelectric RAM) 과 MRAM(Magnetic RAM) 이 있습니다. DRAM (Dynamic RAM) DRAM 은기억단위 ( 메모리셀 ) 가 1 개의트랜지스터와 DRAM은정보를콘덴서에전하로축적하기때문에, 극소의리크전류에장시간방치하면정보가 DRAM 내부의기억영역과주변회로영역 1 개의콘덴서로구성되어있으며집적도가뛰어납니다. 소실됩니다. 따라서정기적으로동일정보를다시써줄 때문에, 비트단가도저렴하여, 대용량의메모리가 필요가있습니다. 필요한시스템을중심으로사용합니다. 이렇게다시쓰는동작을 " 리프레시 " 라고합니다. DRAM 에는스탠바이상태로하면자동으로리프레시 동작을실행하는기능을가진것이많으며, 이를 " 셀프 리프레시동작 " 이라고합니다. DRAM의셀구조는기본적으로동일하지만주변회로에따라 SDR, DDR( 뒤에설명 ) 등의제품이있습니다. DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM) 동기 DRAM을한층더고속화하기위하여클록의 읽기또는쓰기동작을실행합니다. 이동작을프로토콜방식이라고합니다. 프로토콜을 그밖에도패킷방식으로데이터를읽고쓰는 RDRAM, 인터페이스를 SRAM과동등하게취급할수있는슈도 상승구간과하강구간에동기시켜데이터의읽기쓰기를실행합니다. 현재는더욱고성능화된 DDR-H 이용하는점에서 RDRAM은종래의 DRAM과크게다릅니다. SRAM(Pseudo Static RAM) 등이있습니다. 사양이주류입니다. 지금은 RDRAM 을발전시킨 XDRDRAM 이개발, 실용화되어있습니다. SDR(Single Data Rate), SDRAM (Synchronous DRAM) RDRAM(Rambus DRAM) 미국의램버스사가규격을제안한고속데이터전송을 이 DRAM은버스트액세스를고속으로실행시키기위하여클럭신호에동기시켜데이터의읽기쓰기를 특징으로하는 DRAM입니다. 종래의 DRAM은 RAS(Row Address Strobe) 및 CAS(Column 실행합니다. Address Strobe) 등의제어단자의입력타이밍으로 동작을규정해왔습니다. RDRAM 에서는이러한제어단자및어드레스입력 단자는사용하지않고리퀘스트패킷이라고하는 DRAM 의메모리셀회로도 커맨드를메모리로보내서그커맨드에따라데이터의 96 97
동기형은당초컴퓨터등의캐시메모리로서파이프라인버스트 SRAM이개발되었습니다. 그러나컴퓨터용 CPU가 2차캐시메모리까지내장하게되어서, 네트워크관련기기를중심으로용도가변천되었습니다. 통신기기는인터넷의브로드밴드화, LAN의고속화로인해대량의데이터통신이요구됨에따라고속 FeRAM(Ferroelectric( 강유전체 ) RAM) FeRAM은 DRAM과같은구조를가지고있지만, 콘덴서부분이강유전체재료로형성되어있습니다. DRAM은여기에전하를축적해데이터를기억하지만, FeRAM는강유전체재료의잔류극성전압이 + 또는 -로유지되며, 이상태를읽어서 "1" 과 "0" 을판별합니다. 잔류극성전압은전원을꺼도유지되기 대용량의데이터버퍼가필요하게되었습니다. 또한 때문에 FeRAM 은비휘발성입니다. 통신기기용도에적합한동기형 SRAM 이개발되어 MRAM(Magnetic( 자성체 ) RAM) 있습니다. MRAM은기억소자에자성체를사용합니다. 자기화된소자상의배선에전류가흐르면자기장의방향에 SRAM 셀의구조도 (6 트랜지스터 ) 따라배선저항이변하는것을이용하여데이터를 기억합니다. SRAM (Static RAM) 액세스타임이늦는제품 ( 저소비전력 SRAM) 과 SRAM 은메모리셀에플립플롭회로를사용해서그림과 고속성이요구되는제품 ( 고속 SRAM) 으로분류합니다. 같이 6 개의트랜지스터또는 4 개의트랜지스터와 2 개의저항으로구성됩니다. u1 개의트랜지스터와 SRAM 의용도 1 개의콘덴서로구성된 DRAM 에비하여대용량화에는 저소비전력 SRAM 은휴대전화나휴대정보단말기등 불리하지만, 리프레시동작이필요없고, 외부 주로배터리로구동되는기기에사용합니다. 노이즈에도강하다는특성을갖추고있습니다. 이것은 고속 SRAM 은비동기형과동기형으로나눕니다. 대용량이필요없는시스템에사용합니다. 전자는메모리테스터나공업용계측기등의 SRAM 은그용도에따라서저소비전력에서비교적 버퍼용으로사용됩니다. SRAM 셀의구조도 (4 트랜지스터 + 저항 ) 98 99
ROM(Read Only Memory) ROM 에는제조공정중에데이터를쓰는 PDA 마스크 ROM 과제품이완성된후에데이터를 쓸수있는 PROM(EPROM, EEPROM, 플래시메모리 ) 이있습니다. DVD 마스크 ROM EEPROM(Electrical EPROM) 마스크 ROM 은사용자의데이터에근거하여작성된 EEPROM 은전기적으로데이터를소거할수 STB CompactFlash TM IC 제조용마스크를사용하여데이터를씁니다. 메모리셀이 1개트랜지스터를사용하므로비트당 있는 PROM입니다. 쓰기및소거는워드단위로이루어집니다. EEPROM은회로가복잡하여 NAND 플래시의응용제품 코스트가저렴하고, 대량생산에유리합니다. 대용량화가어렵기때문에, 수 Kbit 에서수백 Kbit 의 NOR 플래시 NAND 플래시는스토리지디바이스, SD 메모리카드, 마스크 ROM 의용도는게임카세트, 휴대정보 제품이생산되고있습니다. NOR 플래시는랜덤액세스가빨라서주로프로그램 컴팩트플래시 (CF) 등의소형메모리카드나 USB 단말기 (PDA) 에탑재되는한자등의캐릭터 ( 한자 등의펌웨어에사용되며, 컴퓨터, 프린터등의 메모리등의브릿지미디어로서, 또디지털카메라, ROM), 전자사전용등대량으로생산되고데이터를 플래시메모리 정보기기를비롯하여휴대전화, 디지털 TV, 게임기기 음악플레이어, 보이스리코더등대용량이필요한 다시쓸필요가없는용도에사용됩니다. 전기적으로데이터를소거할수있으며블록단위또는 등폭넓은용도로사용되고있습니다. 쓰기단위는 용도에널리사용되고있습니다. 칩단위로소거됩니다. 블록의크기는수 Kbyte 에서 EEPROM 과마찬가지로바이트또는워드단위입니다. EPROM (Erasable Programmable ROM) 수백 Kbyte 이며, 대량데이터를한번에소거할수 EPROM 은사용자가전용라이터를사용하여데이터를 있다는점에서, 사진용기기의플래시 ( 스트로브 ) 에 NAND 플래시 기록합니다. 데이터는자외선을비추어삭제합니다. 비유해플래시메모리라고합니다. NAND 플래시는메모리셀사이즈가작고, 집적도가 때문에패키지에석영유리로된창이있습니다. 플래시메모리는 NOR 형과 NAND 형으로나뉘어 뛰어납니다. 때문에대용량화가용이하며비트당 EPROM 은패키지가비쌉니다. 양산할때는한번만쓸 집니다. 코스트도저렴하기때문에메모리카드등의스토리지 수있는 ( 삭제할수없는 ) OTP(One Time PROM) 을 용도에적합합니다. 사용하고같은칩을플라스틱패키지에봉입합니다. 읽기및쓰기는 512byte 에서 4Kbyte 의페이지단위로 EPROM 은제품개발시에프로그램이나데이터를 이루어집니다. 때문에 NOR 플래시에비하여읽기 디버깅하기위해서사용되었지만, 고밀도플래시 쓰기가빠르며, 대량데이터보존에적합합니다. 메모리가양산되면서그역할이끝났다고볼수 있습니다. 100 101
NOR NAND MCP(Multi-Chip Package) MCP는 1개의패키지안에복수의메모리칩을집적한제품입니다. 휴대전화가고기능화되면서작은공간에많은메모리를탑재한다는아이디어가생겨났습니다. 최초에는저소비전력 SRAM과 NOR 플래시의조합이었지만, 휴대전화에부속된카메라의화소수가백만을초과하거나음악데이터를취급하게되면서보다대용량의 DRAM이나 NAND 플래시를탑재하게된것입니다. 그림의예는 3개의 NAND 플래시와 SDRM, 슈도 NOR 및 NAND 플래시셀의구조비교 SRAM(Pseudo Static RAM), NOR 플래시를 1개의패키지에넣은 MCP입니다 MCP 의전자현미경사진 NOR NAND 2F 2F 5F 2F NOR, NAND 플래시셀의사이즈비교 10F 2 4F 2 Chip6 Chip5 Chip4 Chip3 Chip2 Chip1 1.4mm SD 카드 minisd 카드 USB 메모리 0.65mm MCP 의구조예 SD 카드, minisd 카드, USB 메모리 102 103
아날로그 IC, 아날로그와디지털혼재 IC 이기술을이용하여전자기기의입력부와신호처리부, 출력부등의아날로그및디지털양쪽신호처리가필요한회로를원칩화할수있게되었습니다. 이런기술의대표적인프로세스에는바이폴라리니어아날로그신호처리와디지털신호처리가기술과 CMOS 로직기술을혼재할수있는 BiCMOS 혼재하는원칩IC이나 LSI의개발이진행되고기술및아날로그회로와디지털회로에파워회로까지있습니다. 혼재할수있는 IPD(Intelligent Power Device) 기술등이있습니다. 아래의그림은임베디드기술에의하여저소비전력, 간이고속제어를실현한드라이버 IC입니다. 이 IC는 범용아날로그 IC( 리니어IC) OP 앰프나콤퍼레이터, 전원 IC 등일반적으로범용이라고하는리니어 IC입니다. 전용아날로그 IC/LSI 기기전용으로개발된아날로그또는아날로그와디지털이혼재된 IC/LSI를말하며 WSTS(World Semiconductor Trade Statistics) 에서는오른쪽에설명한 5가지로분류합니다. 전자기기의신호처리는종래의아날로그에서벗어나디지털화가급속히진행되고있습니다. 그러나고주파증폭회로, 발진회로, 센서입력회로, 전원회로, 모터드라이브회로등의전력처리회로, 또는아날로그및디지털인터페이스회로등은아직도아날로그회로를사용합니다. 따라서, 아날로그회로에사용되는아날로그 IC와 LSI도존재합니다. 아날로그신호회로와디지털신호회로를혼재할수있는복합소자기술도개발되어있습니다. 프린터, FAX 등의각종 OA 기기, FA 기기의 DC 브러시모터구동용으로사용되고있습니다. 고주파회로 (RF 회로 ) 는지금까지의갈륨비소 (GaAs) 등의화합물반도체에서, Si-GeHBT와 CMOS 혼재기술또는아날로그 CMOS 기술로교체가진행되고있습니다. 이러한기술을이용하여 RF부와베이스밴드신호처리를혼재한원칩 IC의개발이진행되고있습니다. 아날로그 IC, 아날로그디지털혼재 IC의분류 V CC V reg SB S-GND PWM OUT2 P-GND 20 19 18 17 16 FIN 15 14 13 12 11 5V V CC OSC 1 2 3 4 5 FIN 6 7 8 9 10 CcpA CcpB CcpC S-GND IN1 IN2 OUT1 DC모터용풀브릿지드라이버 IC의블록도 104 105
OP 앰프, 콤퍼레이터 OP 앰프의대표적인사용방법오른쪽그림과같이비반전및반전증폭회로를쉽게설계할수있습니다. 각증폭회로의전압증폭도는각각다음의식에따라주어집니다. R i R s R f R s R f R i OP 앰프 (Operational Amplifier: Rf Rs, - Rf Ri V IN R s V OUT 연산증폭기 ) 는차동입력을갖는고이득증폭기이며, 전형적인아날로그 IC입니다. 높은이득을가지므로부귀환을걸지않으면콤퍼레이터 ( 전압비교회로 ) 로도동작합니다. IN IN OUT 콤퍼레이터 OP 앰프는높은이득을가지기때문에부귀환을걸지않으면콤퍼레이터 ( 전압비교회로 ) 로도동작합니다. 콤퍼레이터전용으로제품화된것도있습니다. 콤퍼레이터의기호는 OP 앰프과같은기호를 R f R f 사용합니다. OP 앰프의동작과용도 OP 앰프, 콤퍼레이터의기호 OP 앰프와콤퍼레이터의종류 R i R f OP 앰프의입력은그림과같이 IN(+) 과 IN(-) 의 2가지가있습니다. 입력간전위차 Vin(+) - Vin(-) 를증폭하여출력합니다. 따라서, 출력과부입력 (In(-)) 사이에외부회로의 V CC 제조프로세스에서보면, 일반적으로바이폴라구조와 CMOS 구조가있습니다. 그림에나타낸것처럼각각일장일단이있지만, LSI의전원전압이저전압화된결과, 입출력 0에서 VDD까지동작가능한 CMOS OP V IN R s V OUT R s R i R f R i R f 저항, 용량등을통하여부귀환을걸어서사용함으로써부입력에는정입력전압과거의같은전압이나타나 ( 가상단락이라고함 ), 정입력신호를따라가듯이동작합니다. IN IN OUT 앰프 ( 이른바 "Rail to Rail") 가늘어나고있습니다. ( 주석 ) 입력오프셋전압은출력전압을 0으로했을때의입력단자간전압입니다. 이상적인 OP 앰프에서이값은 0입니다. 비반전및반전증폭회로의기본 이런특성을이용하면전압증폭기, 버퍼, 반전증폭기 외에, 미분, 적분등아날로그신호의연산처리가가능합니다. V EE CMOS OP 앰프의특성이상적인 OP 앰프는다음과같은특성을가집니다. 1 증폭도 : GV 가무한대 2 입력임피던스 : ZIN 가무한대 3 출력임피던스 : 0 4 주파수대역 : 0 에서무한대 5 내부잡음 : 0 OP 앰프의등가회로 (4558의예 ) IN V OUT Z OUT 0 Z in Noise0 IN G V f 0 CMOS CMOS CMOS 이상적인 OP 앰프 칩형 OP 앰프와콤퍼레이터 바이폴라구조와 CMOS 구조의비교 106 107
AD, DA 컨버터 AD 컨버터는아날로그신호를디지털신호로, DA 컨버터는디지털신호를아날로그신호로변환합니다. 증폭기등의아날로그입출력과디지털처리를하는마이컴등의디지털입출력을접속하기위한기능회로입니다. 또한가지방법은클록수에비례하는슬로프형전압을발생시키고, 그것을입력전압과비교하여일치한시점의클록수를읽는방법 ( 적분형 ) 이있습니다. DA 컨버터디지털량을아날로그량으로변환하는방법도몇가지가있지만, 래더 ( 사다리 ) 저항형이일반적입니다. 기준 Q Y Z 1 t 전압과저항망에의해비트마다웨이트를추가한몇 1 차델타변조블록도및파형 가지정전류원을만듭니다. 그전류를디지털코드에 가산하여전압을변환한다음아날로그신호를 실행하는비트압축및해제기술이며, 1 비트에서 부호열 " 을생성할수있습니다. 아래의그림은 1 차 온도, 습도, 자기장등생활에관련된자연계의변화는 출력합니다. 나오는큰양자화오차를입력하고높은주파수로 델타시그마변조의블록도입니다. 아날로그량이며이것을마이컴등으로디지털신호 반복하여부귀환시킴으로써그출력평균오차를 처리하는경우, 아날로그량을디지털량으로변환할 최근의 AD/DA( 델타시그마 ) 컨버터 줄여가는방법입니다. 필요가있습니다. 또이와는반대로, 마이컴등에서 오버샘플링기술, 노이즈셰이빙기술등에의하여 (1) 델타변조에의한신호생성원리 ( 델타변조 처리된디지털신호출력을우리가이용하기쉬운 간단한 1 비트 DA 컨버터를이용한고정밀도, 고비트의 부호화방식 ) 아날로그량으로변환할필요도있습니다. AD/DA 컨버터를실현할수있게되었습니다. 이 델타시그마변조의베이스가되는델타변조에의한 방법은종래의저항분할등의 AD 컨버터에비해, 신호생성원리 ( 델타변조부호화방식 ) 을위의그림에 AD 컨버터 고속으로복잡한연산을실행하는디지털처리가 나타냈습니다. 아날로그량을디지털량으로변환하는방법에는몇 필요하지만, 아날로그회로의파라미터분산, 시간에 가지가있습니다. 하나는아날로그량을전압으로 따른변화에대한허용도가큰것이특징입니다. (2) 델타시그마변조에의한신호생성원리 추출하여, 기준전압과 AD 컨버터내부의다수의 LSI 프로세스의미세화로이와같은복잡한고속 델타변조로얻을수있는비트신호는입력파형의 저항에서, 또는디지털적방법으로발생시킨비트대응 시스템을쉽게저가로실현할수있게되었습니다. 미분치를나타내고있으므로, 미리아날로그 전압과비교하는방법 ( 병렬비교형, 순차비교형 ) 입니다. 델타시그마변조는그이름과같이미분및적분연산을 입력신호를적분해두면원래신호의 " 진폭에대응한 Q Y Z 1 AD, DA 컨버터의기본 1 차델타시그마변조의블록도 108 109
전원용 IC POL (Point of Local) MPU 등 LSI의저전압화, 대전류화에대응하기위해각 LSI마다대전류출력, 고속응답의 DC-DC 컨버터를 SW V in L V OUT 전원용 IC는입력전압의변동이나출력부하전류의변동에대하여항상일정한출력전압을공급하는모놀리식 IC입니다. 리니어레귤레이터 ( 시리즈레귤레이터, 션트레귤레이터 ) 와스위칭레귤레이터, 차지펌프형전원의 3가지가있습니다. 리니어전원 시리즈레귤레이터기준전압원, 부귀환전압증폭기, 출력단, 귀환저항등으로구성되어있습니다. 입력전압원과부하사이에삽입한파워트랜지스터를가변저항기로사용하여, 부귀환동작을사용하여출력전압이일정해지도록제어합니다. LDO( 저포화형시리즈레귤레이터 ) 는출력 스위칭레귤레이터파워트랜지스터의온및오프듀티를조정하여입력전압원으로부터전기에너지를인덕턴스에축적하고출력콘덴서에공급합니다. 부귀환동작을사용하여출력전압이일정해지도록제어합니다. 스위칭전원은회로의스위치, 콘덴서, 다이오드의실장방법에따라기본적으로는 3종류 ( 강압형, 승압형, 승강압형 ) 로나눌수있습니다. 근접배치하여, 부하변동에출력컨덴서가아니라 DC-DC 컨버터자체의고속응답특성으로대응할수있도록한 DC 컨버터입니다. 이와같은용도의 DC-DC 컨버터를 POL이라고합니다. 동기정류멀티, 위상및인터리빙방식이주로사용되고있습니다. 스위칭레귤레이터는리니어레귤레이터와는달리, 전력손실이적다는특징이있지만, 스위칭노이즈가발생하기쉽고외부회로가복잡하게되는단점도있습니다. 반면, 시리즈레귤레이터는효율은낮지만안정된출력을얻을수있습니다. 차지펌프형 DC-DC컨버터 MOSFET과복수의콘덴서로구성된차지펌프형 DC-DC 컨버터는인덕터를사용하지않기때문에외부회로가간단하고소형화가가능합니다. 또한휴대무선등에서문제가되기쉬운 EMI ( 전자복사노이즈 ) 를줄일수있습니다. 비교적전류가적은영역이나출력전류가 5~500mA의영역에서주로이용됩니다. Di L V in SW V in L SW Di Di C C C V OUT V OUT 트랜지스터에 PNP 파워트랜지스터또는 P채널 MOSFET을사용하여입출력간전압을낮춘시리즈레귤레이터입니다. 소비전력을낮게억제할수있습니다. 션트레귤레이터시리즈레귤레이터와는달리이레귤레이터는 1차전원과부하사이에는외부고정저항을사용하고, 부하와병렬로삽입한파워디바이스를가변저항기로사용하여, 부귀환동작을사용하여출력전압이일정해지도록제어합니다. 주로 AC-DC 전원시스템의일부로사용됩니다. 리니어전원의기본구성 V in V out PWM V in I L L Cout V out 스위칭레귤레이터의기본구성 L L L L C 저포화형레귤레이터 (LDO) 의블록도 동기정류강압 DC-DC 컨버터 동기정류멀티, 위상및인터리빙 DC-DC 컨버터 110 111
트랜지스터어레이 모터드라이버 IC 트랜지스터어레이는일반적으로 1개의패키지에복수의동일한트랜지스터를탑재한것입니다. 용도트랜지스터어레이는솔레노이드드라이버로서도트프린터나자동판매기등의릴레이구동드라이브회로, LED 드라이브회로, 스테핑모터드라이브회로등에사용되고있습니다. 모터드라이버 IC는민생기기, 산업기기, OA 기기등에사용되는소형모터구동용으로사용되고있습니다. 모터의정회전이나역회전, 브레이크및속도제어에이용됩니다. Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 모터드라이버 IC 주파수 ( 스테핑모터 ) 등으로제어하는방법을이용 사용목적 모터의분류와특징 합니다. 1 개의패키지에복수의동일소자를탑재한트랜지스터 소형모터는주로다음과같이분류되며, 각각의전용 또고정밀도회전제어용으로 PLL(Phase Locked 어레이를사용하면기기에탑재공간을최소화해서소형화할수있습니다. 또, 7세그먼트 LED를구동하는경우등에서는동일회로가많아서, 제어트랜지스터가 B 1 C 1 E 1 B 2 C 2 E 2 B 3 C 3 E 3 B 4 C 4 E 4 모터드라이버 IC가개발되고있습니다. 소형모터에는, DC 모터 ( 브러시모터 ), 홀모터 (DC 브러시리스모터 ), 스테핑모터등이있고, 각각전용 Loop) 용 IC 도개발되고있습니다. 다수필요하게됩니다. 이런경우에는트랜지스터 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 드라이버 IC 및제어용 IC 가개발되고있습니다. 어레이를채용해서부품수를줄일수있습니다. 드라이버 IC 는모터의정회전이나역회전및브레이크 동작을입력하는로직신호로제어합니다. 회전속도는 종류 구동전원전압 (DC 모터 ) 이나입력하는클록신호의 트랜지스터어레이는탑재된소자수나접속방식에따라몇가지종류가있습니다. (1) 탑재소자수 3소자, 4소자, 6소자 B 1 C 1 B 2 C 2 B 3 C 3 B 4 C 4 E (2) 접속방식 전소자분리타입컬렉터공통접속타입이미터공통접속타입 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 2 소자, 3 소자접속타입 B 1 E 1 B 2 E 2 B 3 E 3 B 4 E 4 C 트랜지스터어레이의종류 스테핑모터드라이브회로 112 113
고주파용 BiCMOS IC 디스플레이용드라이버 IC 고주파용 BiCMOS IC는고주파동작및저노이즈의장점을가지는바이폴라집적회로과저소비전력의장점을가지는 CMOS 집적회로를동일실리콘기판에구현한 IC입니다. BiCMOS IC는주로이동체통신기기등의고주파부에사용됩니다. 평판디스플레이는 LCD( 액정디스플레이 ) 와같은비발광형과, LED( 발광다이오드디스플레이 ), PDP( 플라즈마디스플레이패널 ) 등의발광형으로분류되며, 각각전용드라이버를사용하고있습니다. (TFT ) (STN ) () IC 사진 LCD 패널의구동방식 특징 BiCMOS IC에는바이폴라트랜지스터, 저항, 콘덴서로구성되는아날로그회로와 CMOS로구성되는로직회로가탑재되어있습니다. 바이폴라회로와 CMOS LCD IC TFT STN (), PC, LCD TV, 비발광형에는저온폴리실리콘형 LCD, 발광형에는유기 EL 패널도있다. 회로를동일한실리콘기판상에형성하기때문에제조공정이복잡합니다. 반면, BiCMOS IC는바이폴라 PDP IC LED IC, 트랜지스터의고속성을활용한아날로그회로와 저소비전력의로직회로를 1 개칩상에집적할수 평탄디스플레이용드라이버 IC 의분류 있습니다. 칩사진 LCD 드라이버 IC 의분류와특성 S G D S G D B E C P P N N N P N P N P N TFT(Thin Film Transister) 란 TFT는액정디스플레이방식의한가지로박막형트랜지스터를이용합니다. 비결정질실리콘등의재료로유리기판상에형성한트랜지스터가액정을구동합니다. LCD TFT 패널의블록도 LCD 고화질, 동영상표시에적합한 TFT 패널을구동하는 P-Si IC 입니다. TFT 드라이버 IC BiCMOS IC 구조도 소스드라이버와게이트드라이버로구성되며대화면, 114 115
(1) 8~16비트의시프트레지스터구성이 IC는래치, 컨트롤부, 출력부로구성됩니다. 주로 BiCMOS 프로세스가사용됩니다. (2) 정전류출력타입의특징 PDP 드라이버와그특징 PDP(Plasma Display Panel) 란 2장의유리판사이에헬륨이나네온등의고압가스를봉입하고백수십볼트로전압을인가해서발광시키는표시장치입니다. 특징다른방식에비하여콘트라스트가높고시야각이넓은특징이있습니다. 대형화가용이한점에서벽걸이 TV 등의응용이기대되고있습니다. TCP 패키지의 LCD 드라이버 IC 현재는정전류출력타입이주류를이루고있습니다. 하나의외부저항으로전출력전류를설정할수 PDP 드라이버 IC STN(Super Twisted Nematic) 이란 있으므로부품수의삭감이가능합니다. 또, 정출력 PDP 는패널안의화소에가스를방전하여형광물질을 STN은액정디스플레이방식중의하나로단순매트릭스방식을이용합니다. 따라서제조비용이 전류이므로전원전압의영향을잘받지않으며휘도의불균일을억제할수있습니다. 발광시키기때문에, 발광표시용고압펄스구동드라이버나표시되는데이터를제어하기위한데이터 싸지만, 화질은 TFT 가우수합니다. 드라이버및주사드라이버등으로구성되어있습니다. STN 드라이버 IC (3) 정전압출력타입의특징정전압출력타입은각출력마다출력전류를바꾸고 이콤포넌트는모듈화되어있는경우도있습니다. STN 패널을구동하는 IC로, 세그먼트드라이버와공통드라이버로구성되며, 저가격과저소비전력의특징이 싶은경우나높은출력전압이요구되는경우에사용됩니다. (R) 있습니다. LED 드라이버 IC의분류와특성 (G) (B) PDP 구조 S-IN CLK LAT ENA V CC SIPO, S-OUT12 O 0 O 1 O 2 O 5 O 6 O 7 3.8V V CC V f 2.0V V CC SIPO, S-OUT12 O 0 O 1 O 2 O 5 O 6 O 7 VR SIPO 정전류출력 ( 캐소드공통 ) 타입 LED 드라이버 PDP 구동블록도 116 117
반도체프로세스기술 반도체프로세스기술 복합소자기술 인텔리전트파워디바이스 (IPD) IPD 는출력소자에 MOS 계디바이스 ( 파워 MOSFET, 특정시스템기능을실현하는 SoC에는고집적화, 고기능화, 고성능화가요구됩니다. 그러기위해서는각각의프로세스로만들어진집적회로를 1개의칩상에실장할필요가있습니다. 작은사이즈와코스트가낮은혼재프로세스가복합소자개발성공의열쇠입니다. IGBT) 를사용해서이를제어하는 CMOS 제어부를단일칩화한파워집적회로입니다. IPD는마이컴에서직접전력부하 ( 모터, 솔레노이드, 램프등 ) 를구동할수있습니다. 아래의그림은 IPD의단면구조도입니다. 마이컴에서출력된신호가 CMOS부에입력되면파워 MOSFET을구동하며, 최종적으로모터등의부하를구동합니다. 동시에그동작상태를트랜지스터부와 CMOS부에서검지하면서과전류, 과전압, 과열등의보호를 CMOS 실행합니다. 또, 부하의쇼트나오픈등의경우에는진단기능이작동되어이상유무를마이컴에알려줍니다. IPD 의동작블록도 BiCMOS 집적회로 BiCMOS 집적회로는 1개의실리콘기판에바이폴라회로와 CMOS 회로를공존시킨것입니다. 즉, Bipolar 메모리혼재기술기기제어용마이컴은일반적으로프로그램을저장해서 고집적화된고속바이폴라소자와저소비전력의 CMOS를결합한것입니다. 디지털논리처리등은 CMOS 소자로실행하고, 그처리결과를고파워바이폴라소자를통하여출력합니다. BiCMOS는아날로그디지털인터페이스부의신호처리를취급하는 LSI에적합합니다. 8 비트 BiCMOS 마이컴 비싸지만, 최근에는고기능, 고성능마이컴등에이용되고있습니다. 고정한 ROM과제어데이터의저장용으로다시쓰기가가능한 RAM을탑재하고있습니다. 그러나, 최근에는많은마이컴이 EEPROM, DRAM, 플래시메모리등다양한메모리를탑재하고있습니다. 사진은플래시메모리를탑재한마이컴입니다. 플래시 회로나프로세스가복잡하기때문에코스트는 메모리는다시쓰기가가능하며전원을꺼도데이터가 IPD 의칩사진 NPN P MOS N MOS S G D S G D MOS CMOS P B E N C P P P N N N P well N P N N P N N P P P P N N P N N N N P P P-Si N BiCMOS 의단면구조도 IPD 의단면구조도 118 119
반도체프로세스기술 반도체프로세스기술 지워지지않습니다. 제품출하직전에프로그램을 화합물반도체 쓰는것도가능하므로개발기간의단축화를꾀할수있습니다. 또, 제품출하후의프로그램수정등도 용이합니다. SOI(Silicon On Insulator) 기술집적회로의밀도와, 집적도를높이기위해서는기판상의소자들이상호간섭하지않도록, 또기판에리크가생기지않도록개개의소자를전기적으로분리하는기술이요구됩니다. SOI 기술은종래의 PN 접합의분리와달라서절연물위에실리콘결정층을형성하는방식으로절연물에의한완전한소자간분리가용이합니다. 또접합용량이나배선용량을저감할수있으므로고속동작을기대할수있다는점, 고밀도화에유리하다는점, CMOS를실장했을때래치업을없앨 CPU & 플래시메모리혼재 RISC 프로세서 실리콘 (Si) 이나게르마늄 (Ge) 등단일원소로구성된단결정반도체에비하여, 2종류이상의원소가결합하여반도체의성질을나타내는물질을화합물반도체라고합니다. 다양한원소의조합방법과조성비를조달해서목적에상응하는여러가지화합물반도체를만들수있습니다. 화합물반도체의특성실리콘이나게르마늄은주기율표에서는제Ⅳ족에 (12) (13) (14) (15) (16) 수있다는점등의이점도있습니다. SOI의한예가 SOS(Silicon On Sapphire) 로절연체인사파이어기판상에실리콘단결정막을기상 속하지만, 화합물반도체는 GaAs처럼주기율표의제Ⅲ족과제Ⅴ족, 제Ⅱ족과제Ⅳ족등의원소조합으로구성됩니다. 원소의주기율표 ( 일부 ) 성장시켜회로를형성한기술입니다. 이기술은다층배선기술에도응용할수있습니다. 120 NPN PNP Nch CMOS Pch CMOS IGBT E B C B C E S G D S G D E G C N P P N N P P N P P P N N N N N N SOI 파워 IC 의단면구조 SiO 2 트랜치분리에의하여 SOI 웨이퍼와유전체분리구조를이용함으로써높은항복전압을얻을수있다. 화합물반도체의특징은실리콘에비하여고속으로동작한다는점, 발광및수광기능이있다는점, 내열성과내방사선성이있다는점등이있습니다. 반면, 복수의원소를화합시켜결정을성장시키기때문에균질한결정을만들기어려운점, 고가인점등의결점도있습니다. 따라서, 고속성이요구되는마이크로파용반도체나발광다이오드, 반도체레이저등의광반도체소자등실리콘으로는실현하기힘든반도체에사용되고있습니다. 갈륨비소 (GaAs) 집적회로갈륨비소는실리콘과비교하여약 5배의전자이동도를얻을수있으므로고속집적회로를만들수있습니다. 반절연성갈륨비소기판에직접이온을주입하여여기에전극을부착하고배선하는, 간단한프로세스로집적회로를형성합니다. - - - 화합물반도체의종류 N N N 갈륨비소집적회로의구조 SiGe ZnS, CdS, CdSe, CdTe HgCdTe GaAs, GaP, GaN, InSb GaAlAs, GaAsP InGaAsP SiC, SiGe, PbS 121
반도체프로세스기술 반도체프로세스기술 미세화기술 반도체의기술개발은미세화프로세스를중심으로조립이나설계, 테스트까지다양한기술의집합이필요합니다. 특히, 수십 μm 이하의미세패턴기술이나 10층또는 11층도가능한다층메탈배선기술은마이크로일렉트로닉스의최첨단을달리는기술입니다. 다층배선기술미세화기술로시스템 LSI의집적도가현저하게향상되었으며이에따라배선의다층화도발전하고있습니다. 반도체제조공정은일반적으로전공정 ( 칩제작 ) 과후공정 ( 어셈블리및테스트 ) 으로나눕니다. 지금까지전공정은주로확산공정이었습니다. 그러나배선의다층화가시스템 LSI 전체특성에미치는영향은각개별소자의지연특성이나소비전력보다도, 배선공정에의한의존도 ( 즉, 배선간기생용량이나배선저항에의한지연 ) 가높아지고있습니다. 이에따라 [] 10G 1G 100M 10M 1M 100k 10k 1k 58 [%/year] 21 [%/] 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 [] 100M 10M 1M 100k 10k 1k 100 10 [] () 집적도향상과설계능력 ( 설계생산성갭 ) 로드맵반도체의개발에는리소그래피, 산화, 확산, 열처리, 레지스트및세정등의 " 프로세스기술 " 과마운트, 본딩, 몰딩, 패키지, 테스트등의 " 어셈블리기술 " 또설계, 시뮬레이션, EDA 등의 " 설계기술 " 등이필요합니다. 기생용량을줄이는층간절연재료나종래의알루미늄배선보다는저항이작은구리배선기술이개발되고있습니다. 미세화기술미세화기술은다음페이지의중앙그림에나타낸것처럼 0.18μm, 0.13μm 에이어 nm 레벨까지세대가 [nm] 200 150 100 50 MPU () DRAM () 이러한기술개발의미래동향에관해서는 ITRS(International Technology Road Map for Semiconductors) 가 2년에한번씩발표하는 진행되었고또다층배선화도아래의그림과같이진행될것으로예상되고있습니다. 또한 CSP(Chip Size Package) 및웨이퍼레벨의 20 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 [] ( ) 기술로드맵이업계에서가장권위있다고인정받고있습니다. CSP는전공정직후에웨이퍼패키징이가능해졌으며, 반도체제조에 " 전공정과후공정 " 이라는말은가까운 미세화기술로드맵 ITRS는이처럼필요한기술개발을현재기술, 종래기술에서연장, 그리고어떤돌파구가필요한분야로분류하여발표하고있습니다. 이발표작업은 SIA( 미국반도체협회 ) 가주도하여 JEITA( 일본 ), KSIA( 한국 ), TSIA( 대만 ), EECA( 유럽 ) 각지의전자및반도체관련업계단체가협력해서실시하고있습니다. 장래에없어질지도모릅니다. [] 12 10 8 6 4 6-7 7-8 8-10 10-11 11-12 2 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 180nm 130nm 100nm [] (ITRS ) 다층화로드맵 122 123
반도체어셈블리 실장기술 반도체어셈블리 실장기술 반도체어셈블리 실장기술 본딩 본딩에는와이어본딩, TAB(Tape Automated 다음에는반도체칩을패키지에봉입해서기능을발휘할수있도록함과동시에기계적충격및외부의환경조건 ( 습기, 오염, 온도등 ) 으로부터칩을보호하고신뢰성을높이는공정기술을설명합니다. Bonding), 플립칩본딩이있으며, 칩의전극부와리드프레임, 패키지기판등을전기적으로접속합니다. 와이어본딩은가는골드와이어로결선하지만 TAB와플립칩본딩은전극부에미리형성한금이나납땜범프를사용하여접합합니다. 수지봉입몰딩외부의응력, 습기, 오염등으로부터칩이나접속부를보호하기위하여본딩후에수지로피복합니다. 금형을사용하여형성하는트랜스퍼몰딩이주로사용되지만 TAB이나플립칩본딩등은액정수지를도포합니다. 플립칩본딩단면사진 각종소자로형성된웨이퍼는개개의칩으로분리합니다. 각각의칩은리드프레임이나패키지기판에전기적으로접속한뒤수지로봉입해서패키지가됩니다. 그후전기적인테스트후식별마크나포장의최종공정을거쳐출하됩니다. 백그라인딩, 다이싱 ( 절단 ) 웨이퍼의두께를얇게연마하는공정을백그라인딩공정, 웨이퍼로부터개개의칩을절단해서분리하는공정을다이싱공정이라고합니다. 최근에는패키지의박형화나얇은패키지내에복수의칩을적층하여탑재하는등백그라인딩공정이발전하여박형패키지도제공할수있게되었습니다. 외장처리, 트림과폼 (Trim & Form) 볼탑재 QFP 등리드를가지는타입의패키지에서는외부리드에납도금을하고 ( 외장처리 ), 리드를절단하여구부립니다 ( 트림과폼 ). BGA(Ball Grid Array) 타입의패키지에서는전극단자에볼모양의납을일괄탑재합니다. 사용자가납땜해서실장할수있는상태입니다. BGA 패키지납땜볼 & QFP(Quad Flat Package) 의어셈블리공정 124 125
반도체어셈블리 실장기술 반도체어셈블리 실장기술 반도체패키지 패키지타입 DIP(Dual Inline Package) 패키지는고밀도실장에대응하기위하여 QFJ(Quad Flat J-leaded Package) 소형화, 박형화, 다핀화, 파인피치화되었으며 QFP(Quad Flat Package) 패키지의형태도다양화하고있습니다. 시스템온실리콘화와함께시스템온패키지화가 TCP(Tape Carrier Package) SOJ(Small Outline J-leaded package) 디스크리트타입 QFP 타입 진행되어대형화, 복수칩탑재및칩적층화 TSOP(Thin Small Outline Package) 등이진행되고있습니다. PGA(Pin Grid Array) BGA(Ball Grid Array) TBGA(Tape Ball Grid Array) FBGA(Fine-pitch Ball Grid Array) 패키지타입은패키징기술의진보와함께변화하고 EBGA(Enhanced Ball Grid Array) 있으며삽입타입의 DIP 에서부터표면실장타입의 PBGA(Plastic Ball Grid Array) SOP, QFP, 나아가고밀도화에대응할수있는 BGA 로 QON(Quad Outline Non-leaded pack-age) 진화하고있습니다. 앞으로는시스템모듈화로진행될 SBM(System Block Module) DIP 타입 TCP 타입 것입니다. KGD(Known Good Die) 소형화와시스템화 주요재료 소형화의요구에부응하기위하여 FPGA 나 CSP(Chip 메탈, 세라믹, 유리, 플라스틱, 실리콘등 Size Package) 라고하는칩크기에가까운 초소형패키지가증가하고있습니다. 또앞으로는 2000 1000 500 200 100 50 20 10 DIP PGA SOP TCP QFJ SOJ QFP PBGA [FC] TBGA EBGA TSOP QON FBGA mbga SBM TQON KGD System in Package MCM(Multi-Chip Module), MCP(Multi-Chip Package), SBM(System Block Module) 등복수칩이탑재된시스템모듈화에관심이집중될것으로보입니다. TSOP 타입 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 [] 반도체패키지개발의흐름 BGA 타입 126 127
반도체어셈블리 실장기술 반도체어셈블리 실장기술 반도체패키징기술의전개 : MCP/CSP/SiP 마이컴의웨이퍼레벨 CSP나손목시계에탑재한플래시메모리가있습니다. 또, 휴대전화나 PHS용의음원 LSI에도사용됩니다. LSI의 3차원실장기술 SiP를실현하기위해서는종래의패키지에비하여미세한접속기술을구사한칩레벨의 3차원적층기술은꼭필요합니다. SiP의특징을최대한활용하기위하여다층화기술개발이계속되고있습니다. 적층기술의요소기술은 SO-DIMM 전자기기의소형, 경량, 고속화를실현하기 다음과같습니다. 위하여의패키징기술은점점더중요해지고있습니다. 시스템 LSI의차별화 SiP 또하나의중요한패키징기술은시스템인 관통비아형성기술 웨이퍼의박형화기술 SBM 포인트로서패키징기술이주목되고있습니다. 패키지 (SiP) 입니다. 네트워크관련정보기기나디지털기기는점점복잡해지고, 소형화되고있습니다. SiP는단일칩에시스템을실현한 SoC(System On 칩상태에서적층접속하는기술 검사및평가기술 () a Chip) 와첨단패키징기술을사용하여 LSI, 메모리, 향후기대되는응용 ( 네트워크단말 ) 수동부품, 고주파부품등복수의부품을집적한 고속인터넷서비스가발전함에따라기존의컴퓨터나 LSI 의차별화포인트가되는패키징기술 LSI 나메모리패키징입니다. 부품수삭감, 고속화, 휴대정보기기, 통신기기에추가하여가전기기의 반도체메이커및시스템기기메이커모두패키징 저소비전력화할수있는유력한방법이기때문에 디지털화와네트워크단말화가진행될것입니다. 기술을강화하고있습니다. 앞으로주목해야할패키징 SiP 를어떻게구사하여응용제품화할것인지가 음성화상의멀티미디어데이터를처리하기위한 DIMM 을 1 개패키지로구성 조립기술은다음과같습니다. 중요합니다. 소형화, 경량화, 고성능화, 저소비전력화실현용 MCP/MCM(Multi-Chip Package) 특히, 1GHz 이상인초고주파분야에서는 LSI 칩의 마이컴, 통신용 LSI, 메모리등을탑재한 SoC 패키징 (Multi-Chip Module) 지연시간이문제가됩니다. 시스템 LSI 와동등한 기술이기대됩니다. CSP(Chip Size Package) 성능을얻으려면칩간의배선길이를최단으로할수 SiP(System in Package) 있는칩레벨의적층기술개발이중요합니다. MCP/MCM 플립칩범퍼기술을활용하여 2~3칩을탑재한고주파 또, 아날로그나고주파회로등디지털회로의원칩화는개발기간이길어지거나코스트상승으로이어집니다. 그대체수단으로 SiP가유용합니다. 단, SiP는고객의 SBM LSI SBM 및혼합신호제품으로써 MCP 는점차폭넓게이용되고 요구에어떻게부응하고시스템을실현할것인가하는 있습니다. MCP화는패키지재료의원가를절감할수있으므로대량생산이필요한휴대전화에응용되고있습니다. 예를들면, 플래시메모리와 SRAM을적층하여단일패키지화한적층형 (Stacked) MCP가있습니다. 적층형 MCP는저코스트기술을개발하여용도를확대하기위해노력하고있습니다. 고객서비스도중요합니다. D 웨이퍼레벨 CSP 앞으로주목해야할패키징기술은 MCP를진화시킨 웨이퍼레벨 CSP입니다. 플라스틱기판에서테이프타입으로전환도진행되고있습니다. 사용예로는 3 차원실장기술의예 128 129
설계기술 설계기술 설계기술 0.30 120 1천만게이트를초과하는 SoC의개발에직면하여해결하지않으면안되는문제에는발열해소, 설계수법그리고고속화가초래하는문제들이있습니다. 이를해결하기위해서는프로세스개발, EDA, 설계기술등소프트웨어와하드웨어에걸친전반적인기술개발이필요합니다. EDA(Electronic Design Automation) 프로세스의미세화로수천게이트를초과하는대규모 있습니다. 설계효율을높이려면 EDA를이용하거나이미개발되어검증도끝난회로를다시이용하는방법이사용되고있습니다. 그러나, 수천만게이트를넘는 SoC의개발에서는다음과같은고려가필요합니다. 톱다운설계수법 ( 상향식설계가아닌설계컨셉부터 ) 하이레벨모델링기술과검증능력 SoC 칩아키텍처 IP 개발, 액세스, 집적화, 재이용 소프트웨어및하드웨어의동시협조설계 이상의것들을지원하는 EDA 또, 사용자, 반도체메이커, 시스템벤더, EDA 벤더 [μm] 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012 [] 프로세스디자인룰과집적밀도의추이 SoC 개발의흐름 ( 하드웨어및소프트웨어협조설계, 검증환경 ) 프로세스디자인룰의축소로로직 LSI의집적도는 ASIC (Tr) 100 팽대해졌으며, 그최적의분할을지원하는협조설계환경정비가요구됩니다. 또한, 시스템전체의검증에서발견된규격의착오나 80 60 40 20 0 [M Tr/cm 2 ] SoC 를개발할수있게되었습니다. 그러나소비전력의 등이서로협력하여설계할수있는환경도요구됩니다. 향상되었습니다. 하지만집적할수있는소자수는 설계미스의수정도수정재설계를어디까지되돌릴지 증가, 설계의난이도상승 ( 집적가능한소자수와설계 증가했어도실제 LSI 의설계레벨은각종 EDA 의 중대한문제이며, 최악의경우는전체시스템을 생산성과의갭확대 ), 고속화의대응등개발상의문제가있습니다. 개발로설계가개선되었음에도불구하고그수준에미치지못하고있는것이현황입니다. 재설계해야하는경우도있습니다. 이러한상황을피하기위하여초고집적도 SoC의 LSI의소비전력은전원전압의제곱에비례합니다. 소비전력증가에대응하려면먼저동작전원전압을낮추고, 새로운프로세스의미세화가필요합니다. 그러기위해서프로세스디자인룰은 0.4, 0.25, 0.18, 그차이를메우기위해서는기존의설계자산, 즉 VSI(Virtual Socket Interface) 가표준화한 IP(Intellectual Property) 를제공하는시스템을이용해야할필요가있습니다. 개발에는하드웨어의시험제작전에시스템전체를검증하는하드웨어및소프트웨어통합검증환경의정비등을포함하는새로운개발환경이요구됩니다. 0.13μm 로진행되며, 로직부의동작전원전압도 5V, 3.3V, 2.5V, 1.8V, 1.0V로저전압동작화가진행되고 EDA 각반도체메이커도자사의 IP 정비나유통기구의확립을서두르고있습니다. 있습니다. 예를들면, 컴퓨터로직부의전원전압은머지않아 1V 이하가될것으로예상됩니다. 협조설계환경 또마이크로프로세서가임베디드되는대규모 SoC 또, 소비전력은각트랜지스터의스위칭시에만 설계에서는지금까지숙련된엔지니어의경험이나 소비하고, 비동작시는 "0"( 리크는제외 ) 이됩니다. 육감에의존해왔던하드웨어와소프트웨어의 따라서, 소비전력을낮추려면회로동작에필요 분할이나하드웨어의시작품을만들어서검증하는등의 없는트랜지스터에는스위칭동작을시키지않도록 기존의 LSI 설계수법으로는대응하기힘들어졌습니다. 각종게이트회로를삽입하는방법, 부하에적합한 트랜지스터사이즈 ( 큰트랜지스터는전력소비가 CPU 의고기능화나미들웨어의개발정비에 크다 ) 를선택하는방법, 회로마다동작속도에따라 따라지금까지하드웨어로실행해왔던기능도 전원전압을공급하는방법, 문턱치전압을동작에 소프트웨어로대응할수있는경우가증가하고, 필요한 따라서바꾸는방법등여러가지방법이고안되고 기능을실현하는하드웨어와소프트웨어조합수는 130 131
설계기술 설계기술 고속화의대응화상처리 ( 특히동영상처리나그래픽스기능 ), 고속통신및이러한기능의멀티태스크처리에의하여컴퓨터에요구되는신호처리속도는매년상승하고있습니다. 신호처리의고속화를위해서는 CPU의고처리속도는물론, LSI 내부나외부배선에의한신호지연의감소가필요합니다. 특히, 메모리와신호처리에서, 종래와같이외부메모리를이용하면긴외부접속배선에의한지연시간이중대한문제가됩니다. 메모리를혼재할수있는프로세스개발로외부메모리를이용하지않고내부임베디드메모리를사용해서배선지연을크게감소시킬수있습니다. 또내부메모리를이용하면자유롭게버스길이를설계할수있기때문에병렬처리에의한고속화의장점도얻을 수있습니다. LSI 내부배선에의한지연시간도그원인이되는배선저항및층간기생용량을줄이기위하여종래의알루미늄보다저항이낮은구리배선기술, 기생용량을줄이기위한저유전율 (low-k) 층간재료가개발되고있습니다. 저소비전력설계 LSI의고집적화는소비전력의증가라는큰문제점을동반합니다. 프로세스기술로수천만소자를수밀리의실리콘칩상에탑재가능하지만회로규모의증대에따른소비전력의증가는피할수없는문제입니다. LSI의소비전력은전원전압, 스위칭확률, 부하용량, 동작주파수및관통전류, 리크전류와관련되어있습니다. 따라서, LSI의소비전력을낮추기위해서는전원전압을낮추고최적한소자사이즈를이용하여불필요한스위칭을줄이며, 리크전류, 관통전류를낮출필요가있습니다. 이러한요구에부응하기위하여 VTCMOS 기술, 게이티드클록, 트랜지스터사이즈의최적화, 저전력셀라이브러리의정비등프로세스및 EDA 의정비가진행되고있습니다. () / 10K (LSI) RTL OS [W] 1K 100 1/12.5 1/8 4 LSI R10000 10 i860 i486 i386 VTCMOS Am386 1 1985 1990 1995 2000 2005 2010 [] 설계흐름도 소비전력도 132 133
설계기술 설계기술 차세대반도체기술 나노테크놀로지 현재의반도체내부회로의폭은 100nm( 나노미터 ) 의수준이지만현재의반도체기술의연장에서는 대량칩이제조가능한환경을유지하기위한수요가부족하고, 설비투자의수 % 정도라도그응용분야에대한연구투자가필요한실정입니다. 예측됩니다. 수십 nm 가한계라고여겨지고있습니다. 이위를 달리는미세화기술로서나노테크놀로지라고하는 초고주파트랜지스터, 초고주파시스템 LSI, 그리고초대전력파워소자개발을위한프로세스, 설계기술을개발하고있습니다. 시스템 LSI 수천만게이트의집적도를가지는 LSI는벌써개발되었으며, 한층더집적화하려면고주파회로및파워회로를내장해야합니다. 이러한복합소자기술의개발도생각할수있지만, 어셈블리기술의 각종기초기술이개발되고있습니다. 예를들어반도체에서는연속적으로자기결합한다는유전자 DNA를이용해서 DNA에전자회로를만들도록한다는꿈같은연구가진행되고있습니다. 그회로폭은 2nm정도이며속도, 집적도, 소비전력등모든 10-9!! 발달에의하여, 상이한프로세스로개발된복수의반도체칩을소형모듈화하는기술로서 SiP(System in 면에서현재의레벨을훨씬능가하는것입니다. 12,756,000 [m] 10-9 2010 년이후에필요할것으로예상되는요소기술 Package) 기술이개발되었습니다. 또, 지금까지 GHz대의초고주파회로는모놀리식화가 광학적미세화가공기술의한계에이즈바이러스의직경은약 100nm라고합니다. 반도체의미세화가공기술은 2006년현재양산 1m to 1nm (10-9 ) 나노미터는 10-9 의세계 1.2 [cm] 개발이 TOSHIBA, 인텔, 일본 IBM 이외에도, 일본 어려워 GaAs 나 SiGe 등의개별반도체가이용되고 레벨에서 90nm/65nm, 연구레벨에서는 20nm 안팎의주요반도체, 전기기기메이커 41 개회사가 있지만, RFCMOS 기술이발달하게되면셀룰러 게이트폭의극소트랜지스터도개발되었으며이는곧 가맹한 ASET(Association of Super-advanced 등에서는고주파회로와로직회로를일체화한, 에이즈바이러스를자를수있는단계까지온것입니다. Electronics Technologies: 기술개발조합 시스템의완전한원칩화도가능하게될것입니다. 그러나, 현재의광학적으로실리콘을깎아넣는방식은 최첨단기술개발기구 ) 를중심으로진행되고있습니다. 10nm 정도가한계이며, 더욱미세화하기위해서는 대전력파워소자 새로운기술혁신이필요하다고합니다. 초고주파트랜지스터 SiC( 실리콘카바이트 ) GaAs 나 SiGe 등의화합물반도체, HEMT (High 말할것도없이일부의화합물반도체를제외한반도체 응용분야연구의필요성 Electron Mobility Transistor) 는셀룰러나광통신 디바이스의재료는실리콘이지만대전력디바이스에서 프로세스기술은메이커만이추진하고있습니다. 등의네트워크용으로개발되었습니다. 향후각종 최대의문제점은전력손실을줄이기위하여온저항을 그런데제조기술뿐만아니라반도체응용분야의 통신에사용될주파수상승에따라 ft( 차단주파수 ) 줄이는것입니다. 그파괴전계강도가실리콘보다 1 자리 연구도생각해야합니다. 지금까지반도체는비디오, 또는최대발진주파수가한층더향상될것으로 이상높은 SiC( 실리콘카바이트 ) 나다이아몬드등의 TV, VCR, 컴퓨터그리고휴대전화, 네트워크등의 와이드밴드갭반도체재료가주목되고있습니다. 새로운수요를창출하고새로운요구들에박차를 전자빔리소그래피기술 신재료반도체에서는얇은베이스폭에서고내압 가하면서그시장을확대하여왔습니다. 그때문에, X 선등배노광기술 전력소자개발이가능하며또한접합부온도도 필요성은자연히만들어진다고잘못인식하고있는 최첨단플라즈마반응계측, 분석, 제어기술 600 로, 종래보다 400 정도높게할수도있습니다. 관계자가많고필요성의연구즉응용분야의연구는 EUV 노광기술 SiC 도일부메이커에서쇼트키장벽다이오드 (SBD) 의 거의되어있지않은 ( 막대한설비, 연구투자의수십분의 초고감도매체기술 개발을완료했지만, 앞으로는수천 V 이상의고내압이 1% 도되지않은 ) 것이현실입니다. PFC 대체공정기술 필요한인버터나컨버터, 전원용등으로각종 전도유망한새로운반도체수요로서디지털 TV, PDA, 디바이스가개발되고이용될것으로생각됩니다. 실리콘오디오, ITS( 고속도로교통정보시스템 ) 더 차세대반도체개발에필요한요소기술 나아가서자동번역기, IC 카드, ID 칩등이있습니다. 그러나이것만으로는팽대한설비즉, 미세화에의하여 134 135
반도체의응용 반도체의응용 AV 기기의응용 DVD 플레이어 시스템개요와특징 DVD 플레이어는돌비디지털이나 PCM에의한 5.1 채널의음성에의하여박진감이넘치는입체음상과 AV 기기는급속히디지털화가진행되어디지털신호를고속으로취급할필요가있습니다. 그러므로마이크로프로세서, 화상및음성디코더용 IC나메모리등은다기능, 고성능, 대용량의반도체를사용하고있습니다. 실리콘오디오시스템개요와특징실리콘오디오는 MP3나 AAC 방식에의하여압축된데이터를반도체메모리나메모리카드등의미디어에기록하고압축해제해서음악을들을수있습니다. 음악데이터는컴퓨터에서 USB 인터페이스를통해기록할수있습니다. 실리콘오디오는기계적인 더불어 MPEG2에서부호화한고화질영상을제공합니다. 한면, 단면 1층으로 4.7GB라는디스크의대용량을활용하여멀티스토리, 멀티앵글, 부모에의한잠금장치, 멀티종횡비 (multi-aspect ratio) 등의멀티기능에도충실합니다. 최근에는하이비전방송대응 TV의보급에의하여 DVD 플레이어의고화질화요구가높아지고있습니다. 사용되는반도체의종류와역할픽업장치는, 레이저다이오드에서디스크에빛을조사하여돌아오는빛을전기신호로바꿉니다. 그신호는증폭되어 DVD나 CD의신호포맷에따라처리되며데이터는영상및음성디코더부로보냅니다. 영상및음성디코더부에서는압축된영상및음성이나자막데이터등의신호를복원하여 TV 신호 ( 일본은 NTSC 방식 ) 로변환하여출력합니다. DVD 플레이어예이러한신호의흐름속에서일시적으로데이터를축적하기위한버퍼메모리로 RAM이사용됩니다. 그밖에, 플레이어전체를제어하는마이컴과영상및음성신호의압축해제등영상및음성디코더부를제어하는마이컴등이사용됩니다. 또, 디스크의회전제어나트레이의출납, 픽업의위치제어등에모터컨트롤용 IC가사용되고있습니다. 부분이없어서, 소형경량화, 저소비전력화를실현할수있습니다. 오디오기기단품에서뿐만아니라, 휴대전화나 PDA, 디지털카메라등의휴대기기에 실리콘오디오플레이어의예 내장해서간단히음악을즐길수있습니다. 사용되는반도체의종류와역할기기전체의제어및압축된음악데이터를압축해제하기위하여 CPU가사용됩니다. 또, 음악데이터를기록하는메모리는전원을꺼도데이터가지워지지않고전기적으로쓰기, 읽기가가능한플래시메모리를사용합니다. 내장된플래시메모리에는 512MB에서 4GB에이르기까지다양한기억용량이있습니다. 오디오출력부에는신호를증폭하기위하여헤드폰 USB NAND CPU MP3, AAC, WMA DVD/CD RF DVD DVD CD MPEG DAC/NTSC DAC 앰프를사용하고디스플레이인터페이스에는디스플레이용드라이버 IC를사용합니다. 실리콘오디오플레이어의블록도 DVD 플레이어의시스템블록도 136 137
반도체의응용 반도체의응용 휴대전화의응용 오디오및음성인식용반도체 MP3 등오디오플레이어기능이나음성인식용 LSI 카메라기능 이루며, 이렇게 3가지블록을한정된공간에탑재하기위한소형집적화가진행되고있습니다. CCD 또는 CMOS 에어리어이미지센서및동영상신호처리용 휴대전화의현저한기술진보를뒷받침하는것은반도체를중심으로한전자디바이스입니다. 최근의다기능화, 고성능화와더불러휴대전화에사용하는반도체탑재율도 고기능을실현하는반도체이전의휴대전화는위와같이전화통신에필요한기본기능만으로충분했습니다. 그러나, 최근의휴대전화는 센서이미지센서이외에도파괴방지를위한충격센서나지문인식센서, 액정휘도조광용조도센서등 디스플레이드라이버 증가 경향에있으며그중요성은더욱 급격히진화하여카메라기능은물론이고 TV 및라디오 LCD 패널용드라이버 IC, 유기 EL 등의신규 높아지고있습니다. 방송, 최근에는지상파디지털방송의수신, 음악의 디스플레이용드라이버 IC 재생, GPS 기능, 나아가정기권이나결제기능을갖는 메모리 동영상처리 LSI 전자지갑으로서의역할을할수있게되었습니다. 정지영상및동영상또는오디오데이터대응의대용량 전화의기본기능 이렇게다양화된휴대전화에는이러한기능에상응하는많은반도체가이용되고있습니다. 메모리 ( 복수종류의메모리를 1개의패키지에탑재한 MCP) CMOS 센서 아래의그림에전화기능의기본부분에관한시스템 화상처리기술및처리용반도체 구성을나타냈습니다. 크게나누면전파를수신및발신하는고주파부, 음성신호를처리하고통신순서를 게임에이용하는그래픽스기술, 시큐리티를위한인증기술, TV 방송또는동영상처리를위한 MPEG/ MCP 제어하는베이스밴드부, 메모리부의 3가지블록으로구성됩니다. H.264 관련기술, 카메라를위한 JPEG 기술및이들의처리용반도체 TV 고주파부는신호처리의기준이되는 PLL, 안테나스위치, 수신계의 LNA, 믹서, IF 앰프, 송신계로서 IF변조, 믹서, 파워앰프등으로구성됩니다. 베이스밴드부는 CPU 또는모뎀, AD/DA컨버터등으로구성됩니다. 그리고, 메모리부는플래시메모리나 SRAM 등을원칩으로탑재한 MCP가주류를 무선통신기술및데이터처리용반도체고속패킷전송기술 (HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 등 ) 및캐시기능, 정기권에이용하는근거리무선통신기술등 TV 방송수신및신호처리용반도체일본의지상파디지털방송수신이나구미지역의 DVB-H(Digital SW PA/ SW GPS LNA RF RF/IF GPS BB BB DSP CPU CPU DSP ADC/DAC etc SRAM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 Video Broadcasthandheld) 수신및신호처리용 LSI SW VCO LNA PA PLL RF/IF / 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 LED MCP I/F I/F 전화기능의기본부분에관한시스템구성 휴대전화의시스템구성 138 139