인문학적 반도체_2.반도체 변천

1장.반도체란 무엇인가?

2. 반도체 변천

그럼 이런 반도체는 어떻게 변화 발전하였을까요?

반도체의 변천은 기준에 따라 여러가지가 있을 수 있겠으나, 여기서는 반도체에서 사용하는 물질과 트랜지스터, 집적도에 따라 구분하여 살펴보겠습니다.

● 물질에 따른 변천

우선 반도체에서 사용하는 물질은 크게 ‘단일 원소 반도체’와 ‘화합물 반도체’가 있습니다.

여기 원소의 주기율표가 있습니다.

원자들을 최외각전자의 개수에 따라 분류해 놓은 표를 “주기율표“ 라고 합니다. 주기율표는 원소들을 원자량 순서대로 나열한 것으로, 화학적 성질이 비슷한 원소가 일정한 간격으로 나타나게 되는데요.

주기율표 상 가로줄은 주기(period), 세로줄을 족(group)이라 부르는데, 같은 세로줄에 있는 원소들끼리는 비슷한 화학적 성질을 나타냅니다.

원소들이 원소번호순으로 나열되어 있고 1족, 2족, 3족, 4족 등으로 나누어져 있는 것을 보실 수 있는데, 이 족의 의미가 최외각전자 즉 가장 외각을 도는 전자의 수를 의미합니다. 예를 들어서 4족이라고 하면 탄소, 실리콘, 게르마늄 등이 있습니다. 4족에 속하는 탄소, 실리콘, 게르마늄은 원자번호가 모두 다릅니다. 탄소는 원자번호가 6이고요. 실리콘은 원자번호가 14입니다.

 더해서 게르마늄은 원자번호가 34입니다.

하지만 이 4족에 속해 있는 모든 원소들은 원자번호, 즉 핵 주위를 도는 전자의 개수는 다 다르지만 마지막 궤도에서 돌고 있는 최외각전자는 모두 4개로 같습니다.

다음에 다시 자세히 설명하겠지만 최외각전자가 4개인 실리콘등에 3족 원소인 붕소(B)나 5족 원소인 인(P)과 같은 원소를 섞으면 전자들의 개수가 적어지거나 많아져서 전기가 흐르게 됩니다.

3족 원소를 도핑한 반도체를 양의 전기를 띤다 하여 포지티브 타입(positive type) 반도체, 줄어서 P-Type반도체라고 하고 5족 원소를 도핑한 반도체를 음의 전기를 띤다 하여 네거티브 타입(Negative type)반도체, 줄여서 N-Type반도체라고 부릅니다.

그래서 반도체를 사용하는 물질로서 분류 할 수 있습니다. 크게 단일 원소 반도체와 화합물 반도체로요.

단일 원소반도체란 한 종류의 원소로만 이루어진 반도체이고, 앞에서 살펴본 4족에 속해 있는 실리콘과 게르마늄이 대표적인 단일 원소반도체가 되겠고 실제로는 실리콘이 가장 대표적인 원소 반도체입니다.

게르마늄과 실리콘 반도체를 비교해보면 모두 다 4족의 공유결합을 하고 있습니다.

게르마늄은 트랜지스터 발견의 실마리가 된 재료이지만 현재 게르마늄 반도체는 거의 사용하고 있지 않습니다.

그 이유는 게르마늄은 지구상에서 양이 적어 가격이 비싸기 때문입니다.

반면 실리콘은 대부분의 집적회로와 반도체 소자 재료로서 가장 많이 사용됩니다. 그 이유는 지구상에서 널려 있기 때문입니다. 실리콘은 우리가 쉽게 볼 수 있는 모래입니다. 따라서 원료를 구하기가 쉽고 온도에도 더 강한 실리콘이 대부분의 집적회로와 반도체회로에 사용되고 있습니다. 이러한 것을 단일 원소반도체라고 합니다.

화합물 반도체는 두 종류 이상의 원소로 이루어진 반도체를 말하며 대표적으로 갈륨비소반도체(GaAs : gallium arsenide semiconductor)가 있습니다.

화합물 반도체는 지금도 계속 연구가 진행되는 중이며 반도체 전체로는 그 비중이 작습니다.

갈륨비소반도체는 3족의 갈륨과 5족의 비소를 혼합한 화합물로 실리콘과 다른 여러 특성을 보입니다.

갈륨비소는 실리콘에 비해 전자의 이동 속도가 약 6배 가량 빨라 연산속도도 6배 빠르다고 할 수 있습니다.

또 트랜지스터 구조가 간단하여 많은 트랜지스터를 집적할 수 있습니다. 250GHz에 이르는 고주파 대역까지 처리할 수 있으며 실리콘과 비교해 동작시 노이즈가 적은 장점이 있습니다.

무엇보다도 가장 큰 장점은 에너지를 빛으로 발산하는 성질이 있어 태양광 전지라던지 근래 급성장세를 보이는 발광다이오드(LED)에도 많이 쓰이고 있습니다.

LED용 웨이퍼 소재로 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 갈륨비소인(GaAsP) 등 갈륨계열의 다양한 화합물이 쓰이고 있는데 이는 서로 다른 색의 LED를 만드는데 활용됩니다. 단점은 웨이퍼의 크기가 커질 경우 쉽게 깨지는 특성이 있어 50mm웨이퍼가 주로 쓰이고 가격이 비싼 단점이 있습니다.

SiC반도체는 탄소와 규소를 1:1로 결합한 화합물반도체를 뜻합니다. 다이아몬드 다음으로 단단한 특성 때문에 지금까지 반도체 재료보다는 사포나 숫돌 등 연마용 재료로 많이 사용했었습니다. 그러나 같은 두께의 실리콘에 비하여 약 10배의 전압을 견디고 고온에서도 동작하며 전력 소모도 작아 에너지 효율을 높일 수 있어 요즘 전기 자동차에 많이 사용되고 있습니다. 2018년 전기차 업체 테슬라의 '모델3'에 SiC 전력반도체가 최초 양산 적용된 이후 수요는 급증하는데 반해 기술 장벽이 높고 양산 능력을 갖춘 업체가 많지 않아 세계적으로 공급 부족이 지속되고 있는 반도체라고 할 수 있습니다.

[ 물질에 따른 변천 _ 단일 원소 반도체와 화합물 반도체 ]

● 트랜지스터에 따른 변천

이번에는 통상 반도체라고 불리우는 물건인 트랜지스터를 기준으로 반도체의 변천사를 구분해 봅시다.

트랜지스터는 전도성(Transconductance or Transfer)과 배리스터(Varistor: Variable Resistor, 반도체저항소자)의 합성어입니다.

낮은 등가 저항을 가진 전류를 높은 등가 저항을 가진 전류로 변환시키는 저항 전달( Transfer resistor)의 기능을 가지고 있다는 뜻으로 명명되었습니다.

트랜지스터는 이와 같이 발이 3개 달려있는데, 가운데에 있는 발이 스위치 역할을 해서 이곳에 전기신호를 보내 양 옆에 달린 발이 연결되기도 끊기기도 하여 스위치와 증폭작용을 하는 반도체 소자 입니다.

전자공학에서 가장 기초적인 부품으로 트랜지스터를 조합해서 AND, OR, NAND, NOR, XOR 등의 논리 게이트를 만들 수 있고, 이 논리 게이트를 다시 조합해서 덧셈 연산기, 기억장치 등을 만들 수 있습니다.

트랜지스터는 1947년 벨 연구소의 H.W. Brattain과 J. Bardeen, W. Shockely가 최초로 만들었습니다. 이를 바이폴라 트랜지스터 (BipolorTransistor)라고 합니다.

1925년 릴리엔필드가 화합물 반도체에 게이트 전극을 꽂아 전류가 흐르는 통로의 폭을 조절하는, 현대의 MOSFET과 같은 동작을 하는 전계 효과 트랜지스터라는 FET을 만들었습니다.

FET은 크게 JFET과 MOSFET으로 구분합니다.

JFET은 소자특성상 크기만 크면 큰 전류도 다룰 수 있고, 진공관과 전류-전압 특성이 유사해 오디오 등의 고출력이 필요한 전자제품에 주로 사용합니다.

MOSFET은 1960년대 벨연구소에서 근무하는 강대원박사가 모하메드 아탈라(Mohamed M. Atalla) 박사와 함께 세계 최초로 만들었습니다.

이 기술은 다시 PMOS만 가지고 설계와 제조를 하는 PMOS기술, NMOS만 가지고 설계와 제조를 하는 NMOS기술, PMOS와 NMOS를 상보적으로 연결한 CMOS 기술로 변천했습니다.

● 집적도에 따른 변천

집적도에 따라서 반도체를 구분할 수도 있습니다.

 아시겠지만 트랜지스터가 처음 발명되었을 때는 진공관을 대체하는 엄청난 집적효과가 있었습니다.

집적회로 (IC: Integrated Circuit )는 전기회로를 구성하는 저항, 축전기(capacitor),다이오드, 트랜지스터등을 하나의 작은 기판 위에 함께 모아 놓은 복합적 전자 회로를 의미합니다.

IC는 1958년 TI의 Jack Kilby가 게르마늄(Ge)반도체를 이용하여 제작에 성공하였습니다.

당시 페어차일드 반도체에 근무하던 로버트 노이스(Robert Noyce)도 같은 개념을 가지고 실리콘 기판상에 알루미늄 라인을 이용하여 반도체 소자를 집적하는데 성공하였습니다.

로버트 노이스는 1968년 고든 무어(Gordon Moore)와 공동으로 인텔을 설립한 사람입니다.

2000년에 잭 킬비는 IC를 발명한 공로로 노벨 물리학상을 수상하였습니다.

이 IC는 그 집적된 트랜지스터의 개수에 따라 LSI (Large Scale IC), VLSI (Very Large Scale IC), ULSI(Ultra Large Scale IC) 로 발전해 왔습니다.

즉 얼마나 많은 트랜지스터, 저항, 캐패시터가 집적되어 있느냐에 따라 구분하는 것인데 요즈음에는 잘 쓰이지 않는 구분 방식입니다.

요즈음은 가장 작은 트랜지스터 크기, 더 정확히 말하면 Poly, 즉 가장 작은 MOS의 길이(length)인 디자인 룰로 구분하는 경우가 더 많습니다. 디자인룰에 대해서는 다음에 더 자세히 설명하겠습니다.

삼성전자 비메모리사업부 명칭이 시스템LSI사업부로 변경 되었었는데 이에서 볼 수 있듯이 IC는 IC, LSI, VLSI, ULSI를 통칭하는 용어로 쓰인다고 보시면 되겠습니다.