The history of semiconductors begins with the invention of the diode and transistor, notably in 1947 by Shockley, Bardeen, and Brattain, followed by a transition from germanium to silicon as the core material, and the development of transistor types from bipolar to JFET, MOS, PMOS, NMOS, and CMOS, with initially generic terms later specified as newer technologies emerged, leading to CMOS becoming central to high-integration semiconductor design, while the invention of the IC in 1958 by Jack Kilby and Robert Noyce integrated transistors, resistors, and capacitors on a single chip, and introduced the concept of scalable integration as IC, LSI, VLSI, and ULSI, defined loosely by component count and often by design rules, enabling massive improvements over bulky vacuum tubes in density and size, with Noyce’s practical IC patent gaining recognition beyond Kilby’s original idea, and his collaboration with Gordon Moore to found Intel in 1968 shaping modern semiconductor business, as Moore’s Law and Intel’s growth surpassed even larger companies like Texas Instruments, and Fairchild Semiconductor’s founding laid the foundation for Silicon Valley, where Noyce’s leadership attracted investors without formal plans, symbolizing the shift from academic physics to industrial innovation, and culminating in today’s ultra-scaled, CMOS-based semiconductor era.
반도체의 어의 전성
현재 사용하는 반도체의 대표적인 물질은 규소이고, 우리가 쉽게 접 하는 규소는 유리다. 로마 풍의 유리 잔이나 신라 풍의 유리 장신구 들이 신라 고분에서 출토되고 있다. 즉 최소한 삼국시대에도 우리는 이미 반도체인 규소를 수입하고 가공도 해 왔다. 그런데 왜 갑자기 1980년대 들어서 반도체에 깊은 관심을 갖기 시작했을까? 여기서 잠시 중학교 국어 시간으로 돌아가 보자. '어여쁘다'는 말 을 조선시대에는 '불쌍하다', '가없다'란 뜻으로 사용했으나, 지금은 '예쁘다'란 의미로 쓰고 있다. 이와 마찬가지로 '반도체'란 용어도 이 미 언급했듯이 물질을 분류하는 하나의 종류지만 그것은 물성(물리 적 성질적 의미이고, 요즘은 물성적 의미뿐만 아니라 '집적회로 (integrated circuit, IC)'로 의미를 확대해 사용한다. 통상적으로 얘기하 는 '반도체 산업'이니, '반도체 기술'이니 하는 말은 물성적 의미의 반 도체가 아닌 '집적회로 산업', '집적회로 기술'을 의미한다.
이 책은 반도체 중에서도 실리콘을 이용한 CMOS 디지털 집적회로에 관련된 기술을 다룰 것이다. 그러나 1장에서 반도체도 아닌 캐 패시터를 잠시 소개했듯이 여기서도 CMOS는 아니지만, 앞으로 자 주 언급할 다이오드를 잠시 소개하려고 한다. CMOS란 말은 3장과 9 장에서 설명할 것이다. 전자의 반대 개념으로 + 전하를 띤 홀(hole)이란 것이 있다. 홀의 원래 의미는 전자가 들어갈 '여지' 혹은 '공간'이다. 그런데 전자공학 에서는 홀을 '모델'이라고 한다. 그럼 왜 이런 '모델'을 만들었을까? 그 이유는 전자공학을 쉽게 설명하고 이해하기 위해서다. 홀은 실제 로 존재하는 입자는 아니지만, 전자가 가지고 있는 전하와 같은 양 의 전하를 가진 양전하로 모델화한다. 즉 '공간'을 '입자'로 모델화한 것이다. 이 모델을 어떻게 사용하는지 다이오드를 예로 들어 설명하겠다. 다이오드의 구조다. 즉 p-type 반도체와 n-type 반도체를 붙여 놓은 것이다. 이렇게 p-type 반도체와 n-type 반도체가 붙은 경 계면을 p-n 접합(p-n junction)이라 한다. 이 두 반도체를 어떻게 붙 였까? 납땜? 용접? 둘 다 아니다. 사실은 하나의 실리콘 조각에 한쪽은 p-type 불순물을 다른 쪽은 n-type 불순물을 주입한 것이다. 그러 니까 붙인 것이 아니라 원래부터 붙어 있던 한 조각이다. p-type 불순물을 주입한 p-type 반도체에는 전자보다 홀이 더 많 다. 물론 열 에너지에 의해 발생한 EHP(Electron Hole Pair, 14장 참조, 여기서는 그냥 이런 것이 있다고만 알고 지나가자)가 있으므로 불순물에 의해 생성된 홈 말고도 이렇게 열에 의해 발생한 홀과 전자도 존재 하는데, 그 개수가 워낙 미량이어서 불순물에 의해 생겨난 홀이 전 자보다 월등히 많이 존재한다. 이 전자나 홀을 전하를 띤 입자라 하여 음전하, 양전하라고 하지 만, 전기를 옮겨 준다 하여 캐리어(carrier, 운반체)라고도 한다. 따라 서 p-type 반도체에서는 홀이 다수 캐리어(majority carrier)이고 전자 는 소수 캐리어(minority carrier)다. 반대로 n-type 불순물이 주입된 n-type 반도체에는 전자의 개수가 더 많아서 전자가 다수 캐리어이 고 홀이 소수 캐리어다. 전압이 걸리지 않은 상태에서는 홀과 전자가 흡어져 있다가 +극에 +전압을, 극에 전압을 가하면 이 상태를 순방향 전압이 걸렸다. 혹은 순방향 바이어스(forward bias)가 걸렸다고 한다), p-type에 있는 소수 캐리어인 전자와 n-type의 다수 캐리어인 전자가 다이오드의 +극 쪽으로 이동해 전지의 +극으로 들 어간다. 한편 다이오드의 -극 쪽에는 n-type의 소수 캐리어인 홀과 p-type의 다수 캐리어인 홀이 이동해 역시 전지의 -극으로 들어간다. 자석에서 같은 극끼리는 서로 밀치고 다른 극끼리는 서로 끌어 당기는 것과 같은 이치다. p-type의 다수 캐리어인 홀과 n-type의 다수 캐리어인 전자는 각 각 다이오드의 -극과 극으로 이동하는 와중에 약간의 홀과 전자가 결합해 사라지기도 하지만, 대부분은 원하는 방향으로 이동한다. 다이오드에서 전자는 p-n 접합을 넘어 다이오드의 +극 쪽으로 이동하고, 홀은 반대로 극으로 이동한다는 의미는 무엇일까? 전자 는 음전하이므로 전류의 방향이 전자의 흐름과 반대 방향이고, 홀은 양전하라서 전류의 방향이 홀의 방향과 같다. 따라서 다이오드의 + 극에서 -극으로 전류가 흐른다는 의미다(전류는 I로 표시함.). 정확하게는 다이오드의 +극 전압이 극 전압보다 문턱 전압 (threshold voltage) 이상 높아야 전류가 흐르는데, 다이오드의 문턱 전압은 약 0.7볼트 정도이다. 즉 다이오드의 +극에 -극보다 0.7볼트 이상 높은 전압이 걸리면 전류가 흐른다. 뒤에 모스의 문턱 전압이 나오는데 모스의 문턱 전압은 약 0.6볼트 정도인데 점점 낮아지고 있는 추세다. 다이오드의 +극(p-type)에 - 전압을, -극(n-type) 에 + 전압을 가하는 상태를 역방향 바이어스(reverse bias)가 걸렸다 고 하는데, 이 때의 동작을 살펴보면 다이오드의 +극에서 보면 전지 의 - 전압이 걸려 있으므로 p-type의 다수 캐리어인 홀이 몰려들고, 다이오드의 -극에는 + 전압이 걸렸으므로 n-type의 다수 캐리어인 전자가 몰려 들어 가운데는 전자든 홀이든 어떤 캐리어도 존재하지 않는 공핍층(depletion layer)이 생긴다. 즉 다수 캐리어들이 p-n 접합 을 건너가지 않고 자기가 원래 있었던 쪽으로 몰려가고 p-n 접합에 는 아무런 캐리어들이 넘나들지 않는다. 즉 양전하도 음전하도 p-n 접합을 넘어가는 것이 없다. 전자와 홀이 p-n 접합을 지나가지 않으 므로, 전류가 흐르지 못한다. 그래서 다이오드에 역방향 전압이 걸렸 을 때는 전기가 통하지 않는 것이다. 그러나 사실은 다이오드에 역방향 전압이 걸렸을 때도 약간의 전 류는 흐른다. p-type에도 소수 캐리어인 전자가 존재하고, n-type에도 소수 캐리어인 홀이 존재하기 때문이다. 이 전자가 p-n 접합을 넘 어 다이오드의 -극으로 이동하고, 홀 역시 p-n 접합을 넘어 +극으 로 이동한다. 이 소수 캐리어들이 전류를 흐르게 한다. 하지만 이 소 수 캐리어들은 앞에서도 밝혔지만, 열 에너지에 의해 발생한 EHP(14 장 참조)의 전자와 홀이다. 그 개수가 워낙 미세하여 무시할 정도라 고 이미 말한 바 있다. 게다가 그 극소수의 캐리어들이 이동 중에 p-n 접합에서 홀과 전자가 결합하여 사라지고 나면 더욱 더 무시할 수 있다. 그 양은 제조 공정에 따라 다르지만, 얼추 수 밀리암페어의 몇 백만분의 일 정도다. 따라서 다이오드에서 역방향 전압이 걸렸을 때는 전류가 흐르지 않는다고 한다.
Silicon, used since the Three Kingdoms era, is now a key semiconductor material whose meaning has evolved from a physical classification to integrated circuit (IC) technology since the 1980s, and this book focuses on CMOS circuits based on silicon, introducing the concept of the diode by modeling a "hole"—the absence of an electron—as a positively charged particle, illustrating how a p-n junction diode is formed by injecting different impurities into a single silicon piece to create p-type and n-type regions, where holes are majority carriers in p-type and electrons in n-type, and these carriers, which carry charge, generate current when moving, with forward bias causing electrons and holes to move in specific directions allowing current to flow, the direction of current being opposite to that of electrons but the same as holes, and diodes conduct current only when the forward voltage exceeds about 0.7 volts, while reverse bias leads to the formation of a depletion layer as carriers cannot cross the junction, thus blocking current flow; however, due to minority carriers like thermally generated electrons and holes, a tiny current can still flow, though it is usually negligible,
measured in microamperes or less depending on manufacturing, and therefore diodes are generally considered non-conductive under reverse bias, illustrating how semiconductor concepts have shifted from material behavior to circuit behavior, with carriers, junctions, biasing, and threshold voltage being essential to understanding electronic devices.
반도체의 변천
1장에서 살펴보았듯이 엄밀하게 따지면 반도체의 시작은 다이오 드의 발명 시점으로 보아야 한다. 그렇지만 통상적으로는 진공관을 대체한 트랜지스터의 발명을 시작으로 잡는다. 트랜지스터는 1947 년 12월 23일 윌리엄 쇼클리(William Shockley)를 주축으로 하여 존 바딘(John Bardeen)과 월터 브래튼(Walter Brattain)이 세계 최초로 발 명해 냈고, 1956년 11월 이 세 사람은 트랜지스터를 발명한 공헌으로 노벨 물리학상을 받았다. 전자공학이 그러하듯 반도체 기술도 역시 물리학에서 출발했다. 반도체의 변천은 기준에 따라 여러 가지가 있을 수 있겠으나, 여 기서는 사용하는 물질과 트랜지스터, 집적도에 따라 구분해서 살펴 보겠다.
물질에 따른 변천
2장에서 언급했듯이 반도체에서 사용하는 물질로는 단일 원소 반도 체와 화합물 반도체가 있다. 화합물 반도체는 두 가지 원소를 화합 하여 사용하는 것으로 여러 종류가 있고, 지금도 연구를 계속 진행하고 있는 중이며 반도체 전체를 두고 볼 때 소수에 속한다. 반면에 단일 원소 반도체는 초기에는 게르마늄(Ge)을 재료로 사용하다가 온 도에 더 강한 실리콘을 30여 년 전부터 지금까지 사용하고 있다.
트랜지스터의 종류에 따른 변천
[트랜지스터의 종류]
1. 트랜지스터
1.1 바이폴라 트랜지스터(바이폴라 트랜지스터)
1.2 FET(전계 효과 트랜지스터)
1) JFET(접합 FET)
2) 모스(모스펫)
트랜지스터는 크게 바이폴라 트랜지스터와 FET로 나 누고 FET는 JFET와 MOS로 구분한다. 윌리엄 쇼클리가 발명한 트랜지스터가 바이폴라 트랜지스터이고 그 후 JFET, MOS가 순차적으로 발명되었다. 그런데 사실 이들은 나중에 발명한 트랜지스터가 출현 한 후에 생겨난 말들이다. 쇼클리가 트랜지스터를 발명했을 당시에는 그냥 트랜지스터였 다. 그 후 FET가 생겨나니 FET와 구분하기 위하여 바이폴라 트랜지 스터라 불렀다. FET도 JFET가 처음 나왔을 때는 그냥 FET였다. 그런 데 후에 MOSFET가 발명되면서 이것과 구분하기 위해 JFET라고 불 렀다. MOSFET의 경우 그냥 모스(MOS)라고도 많이 부른다. 기술은 다시 PMOS만 가지고 설계와 제조를 하는 PMOS 기술, NMOS만 가 지고 설계와 제조를 하는 NMOS 기술, PMOS와 NMOS 두 가지 모 두 사용하는 CMOS 기술로 변천해 왔다. 따라서 트랜지스터의 종류 에 따른 발전 과정이다.
바이폴라 트랜지스터 → JFET → 피모스 → 엔모스 → CMOS
→ 트랜지스터의 변천 → 집적도에 따른 변천
트랜지스터를 처음 발명하였을 때는 그 자체가 엄청난 집적 효과가 있었다. 이미 언급했듯이 진공관은 마치 백열 전구처럼 전구 내부의 필라멘트를 가열하여 전자를 발생시켰다. 진공관 하나가 트랜지스 터 하나에 해당하는데, 크기는 손가락만한 것부터 작은 형광등만한 것까지 다양하다. 손가락 길이와 형광등 길이의 유리관들이 PCB에 꽂혀 있는 모습을 상상해 보라. 현재는 그 유리관 하나가 (a)에서 보듯 새끼손톱만큼 작아졌다. 같은 크기의 PCB에 진공관일 때보다 얼마나 많은 트랜지스터를 꽂을 수 있겠는가? 트랜지스터를 한 개의 칩에 여러 개 집적시킨 IC를 1958년 텍사 스 인스트루먼트(Texas Instruments)에 근무하는 잭 킬비(Jack Kilby) 와 당시 페어차일드 반도체에 근무하던 로버트 노이스(Robert Noyce)가 독자적으로 공동 발명하였다. 2000년에 잭 킬비는 IC를 발 명한 공로로 노벨 물리학상을 수상하였다. 이 로버트 노이스가 바로 1968년 고든 무어(Gordon Moore)와 공동으로 인텔(Intel)을 설립한 바로 그 인물이다. 변천 과정을 보면 1947년 바이폴라 트랜지스터가 발명된 후 현 재의 CMOS까지 발전해 왔으나, 아직도 바이폴라 트랜지스터를 사 용하고 있다. 단지 그 점유율이 점점 줄어들고 있을 뿐이다. IC란 트랜지스터만이 아니라 저항, 캐패시터를 한 개의 칩에 집 적시킨 회로를 가리킨다. 이 IC는 그 집적된 트랜지스터의 개수에 따라 LSI (Large Scale IC), VLSI(Very Large Scale IC) 그리고 요즘은 ULSI(Ultra Large Scale IC)로 발전해 왔다(표 3.3). IC, LSI, VLSI, ULSI 로 구분하는 것은 얼마나 많은 소자(트랜지스터, 저항, 캐패시터)가 집 적되어 있느냐 하는 것인데, 정확하게 몇 개 이상이면 LSI, 몇 개 이 상이 VLSI라는 수치는 없다. 단지 트랜지스터가 수십 개 집적된 것 을 IC, 수백에서 수천 개 집적된 것을 LSI, 수만 개에서 수십만 개 정 도를 VLSI, 그 이상 집적되면 ULSI라 한다. 일각에서는 가장 작은 트랜지스터의 크기인 디자인 룰(design rule)을 가지고 따지기도 하는데(개인적으로 이 방법이 맞다고 생각한다. 만 개의 트랜지스터로 구현할 수 있는 칩을 굳이 십만 개로 구현할 사람은 없을 테니까.... 디자인 물에 대해서는 10장에서 설명하겠다) 이 역시 딱 부러지는 수치는 없으나 통상적으로 2.0마이크로미터까지를 LSI, 1.2~0.35마이크로미터 정도를 VLSI, 0.25마이크로미터 이하를 ULSI 라고 부르기도 한다. 그러나 IC라 하면 IC, LSI, VLSI, ULSI를 통칭하 는 용어로 더 많이 사용한다.
[쉬어가는 글] ------------------------------------------------------------------------------------
로버트 노이스(Robert Noyce)... 반도체, 특히 IC의 역사에 큰 획을 그은 사람으로 고든 무어와 인텔을 공동 설립했다. 노이스는 물리학과 수학 에 탁월한 능력이 있었다. 그래서 이미 고등학생 시절에 그리넬 (Grinnell) 대학에서 일부 과목을 수강했다고 한다. 가난한 목사 아버 지 덕에 노이스는 고등학생 때부터 농장일, 아이 돌보기, 신문 배달, 잔디 깎기 등 여러 가지 아르바이트를 했는데, 그의 고객 중에 그리넬 대학 물리학과장 그랜트 게일(Grant Gale) 교수도 있었다. 그와의 인연 으로 노이스는 더 유명한 대학에도 진학할 수 있었고 가족이 아이오하 주를 떠나 일리노이스 주로 이사를 함에도 불구하고, 그리넬 대학에 입학하여 물리학을 공부했다. 1947년 12월 23일 벨 연구소(Bell Laboratory)에 근무하던 윌리엄 쇼클 리는 존 바딘, 월터 브래튼과 함께 트랜지스터를 발명하였다. 이 공로 로 세 사람은 1956년 11월 노벨 물리학상을 받았다. 1956년 쇼클리는 벨 연구소를 그만두고 지금의 실리콘 밸리로 알려진 팔로알토에서 반도체 회사를 설립하기 위해 노이스에게 연락했을 때, MIT 물리학 박사 학위를 소지한 노이스는 아직 설립도 되지 않은 회 사에 기꺼이 동참했다. 꽤나 명성이 있는 쇼클리였지만 이상 성격으로 인해 여덟 명의 인재가 쇼클리 반도체를 떠나게 되는데 노이스도 함께 했다. 결국 이들이 1957년 10월 페어차일드 카메라의 자본으로 페어차일드 반도체(Fairchild Semiconductor)를 설립했다(페어차일드 반도체는 90년 대 중반 경기도 부천의 삼성전자 비메모리 생산라인을 인수했다). 노이스 가 페어차일드 반도체 재직 시절인 1958년 텍사스 인스트루먼트의 잭킬비가 IC의 발명을 발표했는데, 그 때 노이스는 이미 킬비의 것과 유 사하면서도 더 실용적인 IC 특허를 가지고 있었다. 노이스는 잭 킬비 를 찾아가 '독자적인 공동 발명'으로 합의를 하였고 2000년 10월 잭 킬 비는 IC 발명의 공헌으로 노벨 물리학상을 받았다(노벨상은 생존자에 게만 수여한다). 페어차일드 반도체 사장에서 페어차일드 카메라 부사장까지 지낸 노 이스는 고든 무어와 함께 1968년 인텔을 설립한다(고든 무어는 쇼클리 반도체에서부터 같이 있었고 노이스의 절친한 친구이며 18개월마다 반도 체의 집적도가 두 배로 증가한다는 무어의 법칙(Moore' Law)을 만든 바로 그 사람이다). 그간 두 번의 매각을 통해 연명해 오던 쇼클리 반도체는 인텔이 세워지던 1968년 결국 문을 닫았다. 인텔 설립시 노이스는 사 업계획서 한 장 없이 단지 '우리가 사업을 시작하려 합니다. 도와주시 겠습니까?" 이 한 마디로 투자자를 끌어 모을 만큼 명성이 있었다. 그 후 인텔이 어떻게 되었는지는 모두가 아는 사실이다(인텔이 직원 두 명 의 벤처 기업이었을 때 이미 노벨상 후보를 내놓을 만큼의 대기업이었던 텍사스 인스트루먼트보다 현재는 더 큰 기업이 되었다).
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반도체 제대로 이해하기 강구창 지음
