반도체 1. 반도체 개요와 활용

도체와 부도체의 중간을 반도체라고 한다는것만 알 뿐… 반도체가 정확히 어떻게 사용되는지, 어떻게 만들어지는지 물어본다면 희미하게라도 답을 하기 어렵기에 스터디하면서 정리해본다. 

 

1. 반도체란?

반도체[Semiconductor]란, 일반적으로 “전기전도도가 도체와 부도체의 중간정도”되는 물질로서 半 + 導體 또는 SEMI + CONDUCTOR 라는 뜻을 지니고 있다. 

회로에 ‘반도체’ 스위치를 연결하면 이는 도체와 부도체의 성격을 모두 가지고 있기 때문에 전구를 껐다 켰다 할 수 있는 능력을 가지게 된다.

순수 반도체는 부도체와 같이 전기가 거의 통하지 않지만, 어떤 인공적인 조작을 가하면 도체처럼 전기가 흐르기도 한다는 특징이 있다. 그래서 빛 혹은 열을 가하거나 특정 불순물을 주입하면 도체처럼 전기가 흘러 조절할 수가 있는 것이다.

 

어떤 인공적인 조작을 가하느냐에 따라 물질의 성질 조절이 용이하다는 것이 반도체의 특장점인 것이다.

 

 

2. 반도체 물질의 특성과 기능 

반도체는 전도도가 도체와 부도체의 중간정도 되는 물질의 집단이다. 어떤 특성과 기능을 가진 것인가?

일반적으로 반도체는 최외각전자가 4개인 원자들로만 이루어진 진성 반도체와 3가, 5가 원소들이 추가된 화합물 반도체가 있다. 진성반도체는 한 가지 원소로 구성된 반도체로서 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)이 있다. 특히, 실리콘은 집적회로 IC(Integrated Circuits)에 가장 많이 사용되는 반도체로 “모래”로부터 얻는다.

반도체 물질에 불순물을 주입하여 실리콘이 반도체의 전기전도도를 조절하는 것이다.

이온주입법(ion implantation)은 가장 많이 사용되는 방법으로 주입하는 불순물의 양에 따라 반도체 물질의 전기전도도를 조절할 수 있다.

 

최외각 전자와 주기율표 바로알기

반도체 물질을 이해하기 위해서는 먼저, 원소와 원자의 구조에 대한 기본적인 이해가 필요하다.

물질을 계속해서 세분해 보면 원자(atom)라는 아주 작은 입자로 구성, 이 원자는 양성자(proton), 중성자(neutron), 전자(electron)로 이루어져 있다.

원자는 아래 그림처럼 양성자와 중성자로 된 원자핵을 중심으로 전자들이 일정한 궤도를 돌고 있는 모양을 하고 있어 이는 마치 지구나 화성이 태양 주위를 돌고 있는 태양계의 모양을 연상시킨다.

태양계와 같은 모양으로 전자로 둘러 쌓인 Silicon 원자 구조

여기서, 원자핵 주변을 돌고 있는 전자들은 일정한 궤도를 돌게 되는데 가장 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자를 ‘최외각 전자‘라고 한다. 특히, 가장 바깥에 있는 최외각 전자들은 8개를 채우려 하는 성질이 있는데 이것이 원자와 원자를 서로 결합시키는 원동력이 되어 분자(molecule)가 되고, 이런 분자들이 모여 물질을 이루는 것이다.

최외각 전자의 개수는 원자핵의 양성자 개수와 일치하는데, 1개에서부터 8개까지 존재할 수 있으며 최외각 전자의 개수가 같은 원자들끼리는 유사한 성질을 갖게 된다.

 

▲ 반도체에 주로 사용되는 원소 Copyrightⓒ1997 Keith Enevoldsen

이처럼 원자들을 최외각 전자의 개수에 따라 분류해 놓은 표를 “주기율표“라고 한다.. 주기율표는 원소들을 원자량 순서대로 나열한 것으로, 화학적 성질이 비슷한 원소가 일정한 간격으로 나타나게 되는데 주기율표 상 가로줄은 주기(period), 세로줄을 족(group)이라 부르는데, 같은 세로줄에 있는 원소들끼리는 비슷한 화학적 성질을 나타낸다.

예를 들어, 인(P)과 비소(As)는 같은 세로줄에 위치하는데 두 원소 모두 15족 원소이자 5가 원소로 최외각 전자의 개수가 5개인 성질을 가지고 있다.

 

3. 불순물과 반도체

반도체가 만들어지는 실리콘단결정, 여기서 말하는 결정(Crystal)은 형성방법에 따라 단결정과 다결정으로 분류된다. 단결정이란 시료의 어느 부분을 보아도 결정축의 방향이 같은 것이고, 다결정이란 많은 단결정들이 여러 방향으로 모여 있는 것을 말한다.

실리콘 단결정은 실리콘 원자가 규칙적으로 늘어서 있는데 한 개의 실리콘원자는 최외각에 4개의 전자를 가지는 주기율표상의 Ⅳ족 원소이고, 서로 이웃하는 전자끼리 굳게 결합함으로써 결정을 이루게 되는데, 이러한 결합을 공유결합이라고 한다.

▲ Si의 최외각 전자 4개가 서로 이웃한 Si 전자와 공유 결합된 상태

이런 순수한 실리콘에서는 원자핵에 결합되어 있는 전자가 움직일 수 없기 때문에, 실리콘 외부에서 전압을 걸어도 전류는 흐르지 않게 되어 이를 진성(Intrinsic)반도체라고 한다.

▲ 공유 결합된 순수한 Si 는 전압을 인가하여도 전류가 흐르지 않음

이처럼 진성반도체는 부도체나 다를 바 없는 상태이지만, 특정 불순물을 주입해 주면 전류가 흐르는 신기한 현상이 발생한다.

여기서 불순물은, 실리콘 웨이퍼가 전자회로의 기능을 갖도록 주입하는 인(P), 붕소(B) 등의 물질이다. 불순물에 있는 전자나 정공이 전류를 흐르게 하는 매개체 역할을 하는 것으로, 이러한 불순물을 일정량 첨가함으로써 원하는 방법으로 타입이 변화될 수 있는 것이다. 이렇게, 불순물로 자신의 전기전도도를 조절할 수 있는 반도체를 외인성(Extrinsic)반도체 혹은 불순물 반도체라고 한다.

외인성반도체에는 p-type과 n-type 두 가지가 있다.

▲ 3 가 원소를 Doping 하여 생긴 전자 빈공간 (Hole) 으로 인해 전류가 흐름 (p-type)

순수한 실리콘, 즉 진성반도체에 주기율표상 3가 원소를 소량 넣어 주면 전자가 비어있는 상태, 즉 정공(Hole)이 생기게 되고 이 상태에서 실리콘에 전압을 걸어주면 전류가 흐르게 된다. 이를 p-type반도체 또는 p-type 실리콘이라고 한다.

▲ 5가 원소 Doping으로 결합 후 남은 자유전자들로 인해 전류가 흐름 (n-type)

반면에, 주기율표상 5가 원소를 소량 넣어 주면 전자가 남는 상태, 즉 잉여전자가 생기게 되고 이 상태에서 실리콘에 전압을 걸어주면 제자리를 못 찾은 이 잉여전자가 자유전자가 되어 전류가 흐르게 되는데 이를 n-type반도체 또는 n-type 실리콘이라고 한다.

3가, 5가 원자 주입으로 원자 주입으로 반도체의 전기적 성질을 결정할 수 있다.

 

4. 반도체의 발전 과정

반도체는 왜 사용하게 되었을까?

전자제품을 뜯어보면, 위의 사진처럼 검고 네모지게 생긴 것이 하나 이상 들어있습니다. 보통 이것을 ‘반도체 집적회로 <IC(Integrated Circuit)>’ 라고 하는데요, 수천 수만 개의 트랜지스터, 저항, 캐패시터가 집적되어 기계를 제어하거나 정보를 기억하는 일을 수행한다.

반도체를 사용하게 된 이유는 통신기술과 계산능력의 발달에 밀접한 관련이 있다. 통신기술은 “멀리 떨어져 있는 사람끼리 대화를 주고 받을 수 없을까?” 라는 초기 발상이 동기가 되어 발전되는 과정에서 전기신호를 사용하게 되었다.

하지만, 장거리를 이동하는 도중에 전기신호가 약해지는 현상이 나타났고 목적지에 도달하는 중간 중간, 이를 증폭시켜주는 역할이 필요했다. 바로, 이 증폭기능을 위해 최초로 개발된 것이 ‘진공관’ 이다.

최초의 진공관은 영국의 과학자 존앰브로우즈 프레밍(John Ambrose Fleming)이 발명한 2극관 이었다. 그러나, 초기 진공관은 부피가 컸고 전자빔 발생을 위해 사용하는 필라멘트도 일정 시간이 지나면 타서 끊어져 버리는 단점이 있었다. 이러한 단점을 극복하지 않고서는, 진공관으로 작은 전자장치를 만든다는 것은 사실상 불가능했다.

따라서, 열을 받지 않도록 고체로 만들어진 새로운 증폭장치의 개발이 절실하게 필요했던 것이다.

▲ 진공관 → ▲ 트랜지스터 (TR) → ▲ 집적회로 (IC)

새로운 증폭장치의 탄생, 다이오드와 트랜지스터

1948년 드디어, 벨 전화연구소의 “윌리엄 쇼클리, 죤 바딘, 월터 브래튼” 과학자 3명은 향후 전자공학분야에 결정적인 영향을 미친 두 가지! “반도체로 된 다이오드와 트랜지스터” 를 발명한다.

자그마한 반도체가 필라멘트와 전극을 대신하게 되어 작으면서도 매우 신뢰성이 높은, 새로운 고체 증폭장치가 만들어진 것이다.

과학기술의 발전은 “얼마나 빠르고 정확하게 계산할 수 있느냐”는 계산능력에 비례해 왔고. 이러한 계산 능력의 발전이 계산기를 발명해 냈고, 1930년대에 와서는 기계/전기 스위치를 쓰는 정도로 발전하게 된다.

 

제2차 세계대전은 더 빠르고 용량이 더 큰 계산기의 개발에 박차를 가했습니다. 그 결과, 1946년 미국의 펜실베니아대학에서 세계 최초의 전자계산기 ENIAC을 개발하게 되는데, 이 시스템은 19000개 진공관의 소요로 50톤의 무게와 280㎡의 큰 면적을 차지하면서, 엄청난 열을 발생하였고, 가격만해도 1940년대 시가 백만 달러를 호가했다.

이러한 진공관의 단점을 개선하기 위한 노력은 결국, 향후 트랜지스터의 발명으로 이어지게 되고, ENIAC과 같은 거대 장치도 2.42㎠의 작은 실리콘 위에 만들 수 있게 되었고, 전구보다 적은 전력손실과 20달러 이하의 가격으로 실현시킬 수 있게 된다.

트랜지스터로 인해 전자제품의 크기는 점점 작아지게 되었으며, 보다 정확하고 다양한 기능을 실현시킬 수 있게 된 것이다.

▲ 동전 크기의 미니 SSD

그러나 트랜지스터도 단점은 있었다. 수 많은 트랜지스터와 전자부품을 서로 연결해야만 다양한 기능을 가진 하나의 제품을 만들 수 있는데요, 제품이 점점 복잡해 질수록 연결해 주어야 하는 부분이 기하급수적으로 증가하게 되고, 이런 연결점들이 제품을 고장 내는 주요 원인이 되었던 것이다.

 

여러 전자부품들을 한 개의 반도체 속으로, IC(Integrated Circuit)

이 때, 여러 개의 전자부품들(트랜지스터, 저항, 캐패시터)을 한 개의 작은 반도체 속에 집어넣는 방법을 연구한 사람이 있었다. 바로 1958년 미국 TI社의 기술자, 잭 킬비(Jack Kilby)에 의해 발명된 것인데 이것을 집적회로(IC)라고 불리게 되었으며 기술이 발전함에 따라 하나의 반도체에 들어가는 회로의 집적도도 SSI(Small scale Integration), MSI(Medium Scale), LSI(Large Scale), VLSI(Very Larger), ULSI(Ultra Large Scale)로 점점 발전하였다.

▲ Display Driver IC          ▲ DDR4 DRAM

※ IC (Integrated Circuit)
트랜지스터나 다이오드 등 개개의 반도체를 하나씩 따로 사용하지 않고, 몇천 개 몇만 개로 모아서 한 개로 된 덩어리를 말한다. 실리콘의 평면상에 차곡차곡 필름을 인화한 것처럼 쌓아 놓은 것인데요, 이것을 ‘모아서 쌓는다’ 즉, 집적한다고 한다고 하여 IC라는 이름이 붙게 됐다.

 

5. 반도체 활용

■ 전기신호의 처리 [정류, 증폭, 변환]

① 정류(整流)

전기신호의 흐름에는 두 가지 종류가 있다. 항상 일정방향으로 흐르는 >직류>(direct current, DC)와 주기적으로 방향이 변하는 교류(altemating current, AC)신호이다.

▲ 교류신호 ▲ 직류신호

 

전기신호를 처리하다보면 직류를 교류로 또는 교류를 직류로 바꿔 주어야 하는 경우가 생긴다. 우리는 이러한 작용을 정류(rectification)라고 부르는데요, 일반적으로 정류작용을 하는 반도체를 ‘다이오드’ 라고 한다.

일반 가정에서 사용하는 220V 전기는 교류 신호로 60Hz(1초에 60회 진동)의 주파수를 갖기에 전자제품에 사용하기 위해서는 교류 신호를 일정 Voltage의 직류 신호로 변경해 주어야 한다.

② 증폭(增幅)
전기신호를 이동시키다보면 점점 약해져서 정상적으로 전기신호를 전달하기 위해서는 이동 중에 원상태 또는 보다 크게 해주는 작업이 필요하다.  약한 신호를 강한 신호로 키워 주는 것을 증폭이라고 하고, 이러한 증폭작용을 하는 반도체를 ‘트랜지스터(TR)’ 라고 한다.

③ 변환(變換)
전기신호는 필요에 따라 빛이나 소리 등으로 바꿔 줄 필요가 있다. 최근 저전력, 친환경적이기 때문에 신성장동력으로 각광받고 있는 ‘LED’도 반도체이고, LED램프 뿐 아니라 지하철이나 고속도로에서 볼 수 있는 전광판에 쓰이는 LED는 전기신호를 빛으로 바꿔 주는 역할을 한다. 이러한 반도체를 발광소자라고 하는데, 반대로 빛을 전기신호로 바꿔 줄 수도 있다. CCD, CIS 반도체는 카메라로 읽어 들인 빛을 전기신호로 바꿔 저장하는 역할을 수행한다.

▲ CIS(CMOS Image Sensor)  ▲LED(Light Emitting Diode)

■ 데이터의 처리 [전환, 저장, 연산, 제어]

① 전환(轉換)
정보(Data)에는 그 값에 따라 아날로그(Analogu)와 디지털(Digital)로 나뉜다. 아날로그 데이터는 연속적인 값을 의미하는 반면, 디지털 데이터는 이산적인 값을 취한다. 디지털 데이터는 불연속적인 상태로 즉 1(ON), 0(OFF) 만의 값을 가진다.

정보를 처리하다보면 아날로그를 디지털로 또는 디지털을 아날로그로 바꿔 주어야 할 경우가 있는데요, ‘아날로그 ↔ 디지털’ 같은 정보의 상태를 전환해 주는 역할 또한 반도체가 하고 있다.

② 저장, 기억
반도체는 정보를 프로그램화해서 저장할 수 있으며, 이러한 정보를 저장하는 용도로 사용되는 반도체를 ‘메모리 반도체’ 라고 한다. 메모리는 정보를 저장·보관하고 필요한 시점에서 빼낼 수 있는 장치인데 이러한 저장과 기억 또한 반도체가 수행하는 기능 중 하나이다.

▲ DRAM(Dynamic Random Access Memory) ▲SSD(Solid State Drive)

특히, 꿈의 저장장치라고 불리는 삼성전자의 SSD는 디스크에 내용을 저장하는 기존 하드디스크(HDD)와 달리 ‘반도체 칩’을 이용하여 자료를 저장하여 부팅이나 멀티태스킹에서 빠른 스피드를 자랑하여 많은 사랑을 받고 있는 제품이다.

③ 연산, 제어
반도체에는 기억 및 저장 기능을 하는 메모리 반도체 뿐 아니라, 논리와 연산, 제어 기능 등을 수행하는 시스템 LSI(S.LSI)가 있다. PC가 나오기 전, 편리한 사용감과 빠른 속도로 전자계산기가 널리 사용되었는데, 바로 이 전자계산기 안에서 수치 정보를 계산하는데 사용되는 반도체를 ‘논리반도체‘ 라고 한다.

또한, 시스템 LSI는 제어 기능도 수행하는데, 기계나 설비가 정해진 순서에 따라 동작하도록 해주는 것을 제어라고 한다. 이런 작동순서를 프로그램화하여 반도체 IC에 기억시켜두면 그 순서에 따라 장비나 작업을 자동으로 제어할 수 있게 되는데, 이러한 반도체를 ‘마이크로프로세서‘라고 한다..

▲ Exynos 4 Quad

시스템 LSI는 휴대폰, 가전제품, 전장 분야 등까지 그 응용처가 다양하며 모든 제품의 통제기능을 담당하는 ‘뇌’에 해당하기 때문에, 앞으로의 성장력이 기대되는 분야이다.

전기신호와 데이터의 처리를 담당하고 있는 반도체의 더 큰 가능성을 기대해볼 수 있다.