In daily Korean conversation, units like kilo, mega, or giga are often used without full terms, relying on contextual understanding, which can confuse non-native speakers and create ambiguity, but in precision fields like semiconductors, strict unit clarity is essential, and SI prefixes like pico, nano, micro, and milli must be learned for their extreme magnitude range, with additional attention required for bit (b) and byte (B), which differ in both symbol and value, where a byte equals 8 bits, and storage units for systems (PCs, cameras) use bytes, while semiconductors use bits as the default unit, thus a "256 mega" label may mean 256 megabytes or 256 megabits depending on the context, highlighting the need for precise unit labeling to avoid confusion, especially when scientific terms like kilobyte represent 1024 (2¹⁰), not 1,000, as binary logic governs digital systems, making 1 megabit = 1,048,576 bits, semiconductor manufacturing also mixes units like inches, millimeters, mils, and micrometers, with 300mm wafers replacing older inch-based sizing, cleanroom standards are measured in “class” units, based on particle count per cubic meter, while gate count is used to estimate die complexity and area, though it is criticized for blending two metrics into one unclear term, and in all cases, precise unit understanding and labeling are vital in semiconductor industries.
접두사만의 대화
"어제 고속도로에서 120킬로로 달리다가 딱지 떼였어"
"여기서 우리집까지 한 20킬로 될 걸"
"요즘 먹는 데 신경을 썼더니, 2킬로가 줄었어"
"너 키가 170은 넘냐?"
"내 PC는 600메가짜린데 1.2기가로 바꾸려고 해"
위의 표현들 중에 이해가 안 되거나, 어색한 표현이 있는가? 우리가 흔히 쓰는 표현들이다. '한국 말은 끝까지 들어야 한다'는 말이 있는데, 한국어를 좀 한다는 외국인들도 단위에 있어서는 끝까 지 들어도 못 알아 들을 것이다. 한국 생활에 익숙해지기 전까지 는... 자동차 속도, 거리, 몸무게 모두 다 '킬로'다. PC의 CPU 속도도 하드 디스크의 용량도 메가, 기가다. 심지어 사람 키에는 단위도 없 다. 그래도 우리끼리는 잘 알아듣고 불편함이 없다. 우리의 언어 습 관이다. 단순히 '한국어'만을 배워서는 해결되지 않는 문제다. 사실 킬로니 메가니 하는 것은 접두사에 불과한데 우리는 접두사만 듣고 도 상대방의 의도를 십분 이해한다. 그러나 과학기술에서 사용하는 정확한 단위는 알고 넘어 가자. 특히 반도체에서 쓰는 단위들은 일상 생활에 잘 사용하지 않는 미세 범위 혹은 거대 범위를 사용하므로, 의도적으로 눈에 좀 익혀 두어 야 할 것이다. 표 4.1은 과학기술에서 사용하는 단위의 접두사를 나타냈다. 영 문의 대문자와 소문자를 구분해서 사용해야 하고, 모두 천 배 단위 로 되어 있다. 이유는 이 접두사를 서양에서 만들었기 때문이다. 영 어의 경우 one thousand, ten thousand, one hundred thousand, one million, ten million, one hundred million, one billion, ten billion ...등과 같이 천 배 단위에서 명칭이 바뀐다. 우리는 만, 십만, 백만, 천만, 억, 십억, 백억, 천억, 조, 십조, ... 등과 같이 만 배 단 위에서 바뀌고, 숫자를 표시할 때도 백만을 1,000,000으로 표시하지 않는가? 우리 표현대로라면 100,0000이 맞을 텐데 말이다. 여기서 보듯이 '킬로'는 단지 천 배를 나타내는 접두사에 불과한 데도 우리는 문맥상 시속을 나타내는지, 킬로미터인지, 킬로그램인 지 다 알아듣는다. 더구나 키는 단위가 없어도 다들 센티미터로 알 아 듣는다. 일상적으로 우리는 키가 얼마냐고 물으면, "170" 내지는 "170센티"라고 대답하지, "170센티미터"라고 말하는 사람은 아주 드물다. 혹시 '내가 어제 고속도로에서 120으로 달렸어'라고 하는데, 초속 120미터나 시속 120마일로 알아 듣는 사람을 보았는가? 표 4.2에서는 반도체에서 실제로 많이 사용하는 단위를 설명했 다. 표 4.1을 참조해서 보기 바란다. 1피코암페어의 경우 10" 암페 어, 1/1,000,000,000,000암페어 즉, 1암페어의 1조분의 1만큼의 전류 를 의미하고, 1나노세컨드는 10초 10억분의 1초를 나타낸다. 그리 고 마이크로의 경우 원래는 ''이나 'u'로 많이 사용하고, 'Q'의 경우 도 'ohm'으로 많이 사용한다. 그 외에도 몇 가지 단위가 더 있다. 길이 단위로 'A'이 있는데 'A' 위에 '이 있는 기호로 '옹스트롱'이라 읽으며 10센티미터 즉, 0.1나 노미터(100억분의 1미터)를 나타내고 주로 두께를 나타내는 데 많이 사용한다. 또한 디지털에서 메모리 용량이나 디지트(digit)를 나타내는 단위로 '비트(b, bit)', '바이트(B, byte)' 등이 사용되는데 이것은 같은 전자 공학을 하는 사람들끼리도 종종 오해를 일으키기 쉽다. 혹시 PC에 관심이 많은 사람은 자신의 PC를 업그레이드 하기 위해 전자상가에 서 메모리 카드를 구입한 적이 있을 것이다. 그 때 자기는 신문에서 이미 오래 전에 00전자에서 256메가 디램을 개발했다고 들었는데, 전자상가에서 256메가 메모리 카드에 메모리 칩이 한 개가 아닌 여 러 개가 붙어 있는 것을 보았을 것이다. 그럼 ○○전자가 허위 보도를 한 것일까? 바이트는 대문자 B로 표시하며 8비트를 나타낸다. 비트는 소문 자 b로 표시한다. 여러분 PC에 메인 메모리가 256메가니, 512메가 니 하는 것은 바이트다. 즉 256메가바이트, 512메가바이트이다. 하 드디스크도 마찬가지다. 1기가니 4기가니 하는 것도 바이트이다. 즉 1기가바이트, 4기가바이트이다. 이처럼 시스템(PC, 휴대폰, 디지털 카 메라, MP3 플레이어 등 완제품 혹은 메모리 카드, 비디오 카드 등의 반제 품)에서 사용하는 단위는 기본적으로 바이트다. 그러나 반도체에서 는 기본적으로 비트를 사용한다. 따라서 광고에 "우리 ○○디지털 카 메라는 256메가 메모리가 장착되어 있습니다"라고 되어 있으면 그 것은 256메가바이트이다. 그러나 '반도체 회사 ○○전자가 세계 최초로 256메가 디램을 개 발했다'는 신문 기사에서는 256메가비트 디램을 개발했다는 의미 다. 엄밀하게는 이처럼 '256메가 디램 개발'은 명백한 오보이다. 선 진국의 신문을 보라. '256Mb DRAM 개발' 혹은 '256M bit DRAM 개발 이런 식으로 보도한다. 선진국의 일반 상식이 우리의 일반 상식 보다 높다는 의미로 받아들이면 좀 지나칠까? 기자나 일반인이나 몰라서 그럴 수도 있지만, 같은 전자공학을 배웠고 현재 전자 분야에 종사하는 사람들도 종종 이 같은 실수를 한다. 실제로 내가 다니던 회사에서 데이터 시트(data sheet)를 읽는 데 거기에도 응용 방법에 '필요한 디램 용량은 64메가'라고 써 있었 다. 그 회사는 반도체 회사고, 데이터 시트는 반도체 회사가 시스템 엔지니어에게 반도체 칩을 사용하는 방법과 사양을 적은 서류이다. 그럼 여기서 말하는 64메가 디램은 64메가바이트 디램인가 64메가 비트 디램인가? 오해를 일으킬 소지가 있는 부분은 언어습관에 의존 할 것이 아니라, 확실한 단위를 써 주어야 한다. 특히 디폴트(default) 단위가 다른 조직원을 대상으로 할 때는.
이 비트나 바이트의 경우엔 킬로의 의미가 조금 다르다. 원래 킬 로는 천을 나타내지만, 비트나 바이트에 있어서는 2", 즉 1024를 나 타낸다. 이것은 디지털에서 2진수를 사용하기 때문에 천에 가장 가까운 2 이 2", 1024이기 때문이다. 따라서 1메가 비트도 백만 비트 가 아니라 1K×1K=2×2=1024×1024=1,048,576비트다. 2킬로비트는 당연히 2×1024=2048비트가 된다. 반도체 조립 분야에서는 '밀(mil, 1000분의 1인치)'이 사용되고, 웨 이퍼(wafer, 나중에 설명함) 크기는 5"(5인치), 6"(6인치), 8"(8인치) 등 인치(inch)를 줄곧 사용해 왔는데, 어떤 이유에서인지 300밀리미터 웨이퍼에선 밀리미터를 사용하기 시작했다. 아마도 반도체에서 그 만큼 피트, 인치를 사용하는 미국의 비중이 줄어들어서 그런 것 같 다. 300밀리미터 웨이퍼도 요즘 그렇게 쓰는 것이지, 초창기 논문 등 에는 12" 웨이퍼로 썼다. TV에서 반도체 회사의 화면이 나올 때면 흰색 가운을 입고, 마스 크와 장갑을 낀 것을 보았을 것이다. 그것은 제조 라인의 청정도를 유지하기 위해서 하는 복장인데, 청정도를 나타내는 단위로 클래스 (class)라는 것이 있다. 이것은 1입방미터(1m²)당 10마이크로미터 이 상 크기의 먼지(particle)가 몇 개냐를 나타내는 수치다. 즉 클래스 100은 1입방미터당 10마이크로미터 이상의 먼지가 백 개 이하로 있 다는 의미이고, 클래스 10은 그런 먼지가 열 개 있다는 것이다. 10마 이크로미터는 100분의 1밀리미터다. 참고로 사람 머리카락의 직경 이 보통 100마이크로미터, 대장균의 길이가 2~3마이크로미터 정도라고 한다. 앞에 나온 단위들 외에 진짜 반도체에서만 사용하는 단위로 '게 이트 카운트(gate count)'가 있다. 이는 전자공학 중에서도 반도체 분 야에서만 사용하는 단위인데 11장에서 자세히 설명하겠다. 다이 (die)의 복잡도와 다이의 크기(면적)를 동시에 나타내는 단위로 '10 만 게이트', '120만 게이트'라는 식으로 사용한다. 필자는 개인적으 로 이 단위를 매우 싫어한다. 복잡도면 복잡도, 면적이면 면적이나 제대로 나타낼 것이지, 둘을 동시에 나타낸다는 소리는 결국 둘 다 제대로 표현하지 못한다는 소리다. 그래서 싫어하지만 언어에는 사 회성이 있다. 필자가 아무리 싫어해도 모두들 이 단위를 사용하기에 뒤에서 설명을 하겠다. 다이란 빛이 반사되는 사각형 부분으로, 칩 내부의 실제 실리콘을 의미한다. 일반인들이 보는 반도체 칩은 사실 실리콘 이 아닌 실리콘을 덮어 싼 플라스틱을 보는 것이다. 그 플라스틱 내 부의 진짜 실리콘을 다이라고 한다. 칩이 크다고 꼭 다이가 큰 것은 아니다. (a)와 (b)를 비교해 보면, 칩은 (b)가 크지만, 다이는 (a)가 크다. (b)가 큰 것은 칩의 핀(pin)이 많아서 어 쩔 수 없이 커진 것이다. 뒤에 자세히 다루겠다.
Voltage and current are defined relatively based on reference points, MOS refers to a vertical transistor structure of Metal, Oxide, and Silicon layers, and NMOS is a type of MOSFET using p-type and n-type silicon to control electron flow, with carriers generating current and the polarity denoted by dopant type rather than charge sign, p+ regions are added to enhance voltage delivery to p- areas through ohmic contacts, a wafer is a silicon disk with IC circuits embedded as dies separated by scribe lines, each die is cut through sawing and encased in plastic to become a chip, with flat zones or notches used as alignment markers during processing, NMOS remains off when gate voltage (VGS) is below the threshold (VT), and turns on when VGS ≥ VT, forming a channel between source and drain, source and drain are both n-type and functionally determined by voltage polarity, analog circuits consider channel strength, while digital circuits focus on on/off states, the oxide layer (SiO₂) beneath the gate is an insulator enabling channel creation, NMOS has four terminals: Gate, Source, Drain, and Substrate, and circuit design involves consistent mapping across layout, symbol, top, and cross-sectional views, engineers must correlate electrical behavior, layout, and schematic representations accurately, to ensure proper understanding and reliable fabrication of semiconductor devices.
모스란?
해발 1000미터의 산꼭대기에서 떨어뜨린 야구공에 맞은 사람과 100미터 높이의 절벽에서 떨어뜨린 야구공에 맞은 사람 중 누가 더 아플까? 야구공의 재질에 따라 다르다? 헬멧을 쓰지 않은 사람이 더 아프 다? 신경이 예민한 사람이 더 아프다? 모두 맞는 말이다. 그런 모든 조건이 동일하다면 아마도 야구공에 맞은 사람의 위치에 따라 다를 것이다. 해발 1000미터의 산 정상에서 떨어뜨린 공을 해발 990미터 높이에서 맞은 사람은 분명 절벽 아래를 지나다가 100미터 절벽 위 에서 떨어뜨린 공에 맞은 사람보다 덜 아플 것이다. 1000미터 높이에 있는 공은 100미터 높이에 있는 공보다 위치에 너지가 크다. 그러나 1000미터에서 990미터로 떨어뜨린 공보다는 100미터로 떨어뜨린 공의 에너지가 훨씬 더 크다. 즉 현재 어느 정도 의 위치 에너지를 가지고 있느냐 보다는 위치 에너지의 변화가 얼마만큼 있었느냐가 중요하다. 해발 1000미터의 산과 500미터의 산 중 어느 쪽이 더 높을까? 1000미터 높이의 산이 해발 700미터의 산동네에 있고, 500미터의 산이 해수면보다 100미터나 낮은 동네에 있다면, 해발 500미터의 산이 더 높아 보일 것이다. 모든 것은 상대적이다. 절대적으로는 해발 1000미터의 산이 높지 만, 사람이 실제로 느끼기에는 500미터의 산이 더 높다고 느끼는 것 이다.
전압과 전류의 표기방법
전압은 '전위(電位)의 차'다. 전압은 상대적인 값이지 절대적이 아니 다. 따라서 어떤 기준이 필요하며, 그 기준보다 높은지 낮은지 나타 내 주어야 한다. 노드(node) a가 b보다 전위가 높다면 전류는 a에서 b로 흐른다. 노드란 전기적으로 구분되는 한 지점을 말한다. 이 때 노드 a와 b의 전위차가 2볼트라면 이것은 Vab = 2V라 고 표시한다. 노드 b를 기준으로 했을 때 노드 a는 2볼트가 높다는 것이다. 만약 Vba가 얼마냐고 묻는다면, 이 때는 노드 a를 기준으로 노드 b의 전압을 묻는 것이다. 그러므로 Vba = -2V라고 하면 된다. 즉 뒤에 쓰이는 노드가 기준이 되는 것이다.
전류의 경우도 비슷하다. 전류는 전하의 흐름이다. 따라서 방향이 있다. 회로도에서 전류는 영문 자 I로, 전류의 방향은 화살표로 나 타낸다. 노드 a에 서 b로 1밀리암페어의 전류가 흐른다는 의미다. 그런데 같은 경우 화살표의 방향을 노드 b에서 a로 표시하고 전류가 얼마나 흐르냐고 묻는다면 1=-1mA라고 한다. 즉 (a)와 (b)는 같이 전류가 '-'라는 소리는 전류가 생기는 의미가 아니라 방향이 반대라는 의미다.
왜 모스인가?
모스(MOS)란 3장에서 언급했듯이 FET의 한 부류인 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)의 약자다. 모스라는 이름은 이 트 랜지스터의 수직 구조의 모양에서 나왔다. 맨 위 (분홍색 부분)가 알루미늄(AI)인 메탈(metal, 금속), 그 아래(하늘색 부 분)가 규소가 산화된 산화규소(SiO₂)인 산화층(oxide), 맨 아래(흰색) 는 규소(silicon)로 구성되어 있어서 그 순서대로 Metal, Oxide, Silicon의 약자로 MOS라는 이름이 붙었다. 그러나 맨 위층의 메탈 층은 MOS가 발명된 초기에 그렇게 만들었고 요즘은 폴리 실리콘(poly silicon, 줄여서 흔히 poly라고 함)으로 대체되었으나 명칭은 여전 히 MOS라고 한다.
맘모스와 엔모스
엔모스(NMOS)의 수직 구조(vertical structure)를 보면, 그 림 5.3과 비교했을 때 맨 위층의 빨간색 부분이 알루미늄에서 폴리 로 바뀌어 있다. 요즘은 알루미늄 대신에 폴리를 사용하기 때문이다. n+로 표시된 연두색 부분과 p-로 표시된 흰색 부분은 둘 다 규소(Si)인데 n+ 부분은 2장에서 설명한 n-type 불순물을 주입한 부분이 고, p-로 표시된 흰색 부분은 p-type 불순물을 주입한 부분이다. 또 새로 생겨난 p+로 표시된 연두색 부분 역시 p-type 불순물을 주입한 부분이다. 이 부분이 새로 삽입된 이유는 반도체 제조를 쉽 게 하기 위해서인데, 이 부분이 없으면 p- 부분에 전압을 가하기 위 해서 규소의 바닥 부분으로 전압을 가해야 한다. 즉 폴리나 n+ 부분 은 규소의 위쪽에서 도체를 사용해 전압을 가할 수 있는데, P- 부분 은 규소의 바닥 쪽이라서 도체를 연결하는 데 불편함이 있다. 그래 서 p- 부분도 다른 부분들처럼 위쪽에서 전압을 가할 수 있게 제조 하려고 위쪽에 p+ 부분을 만든 것이다. 2장에서 설명했듯이 n-type 불순물을 주입한 n-type 반도체에는 홀보다 전자가 압도적으로 많아 전자가 다수 캐리어고 홀은 소수 캐 리어다. 반면에 p-type 불순물이 주입된 p-type 반도체에는 홀이 전 자보다 압도적으로 많아 홀이 다수 캐리어, 전자가 소수 캐리어다. 캐리어란 전기를 운반해 준다는 의미다. 여기서 불순물의 농도를 조 절할 수 있는데, 주위와 비교해서 농도가 높으면 '+'로 표시하고, 농 도가 낮으면 '-'로 표시한다. p+는 p-보다 p-type 불 순물의 농도가 높다는 의미다. 그 정도는 반도체 회사마다 다르고, 제조 공정마다 다르지만 p+ 부분은 p- 부분보다 약 천 배 정도 p-type 불순물의 농도가 높다. 여기서 +,- 표시 때문에 p-type 반도 체는 양의 전기를 띠는 홀이 전자보다 많아 양전하인데 -로 표시하면 음의 전기를 띤 홀인가 하는 혼동을 일으킬 수 있다. p+, p-의 표시는 불순물 농도의 차이를 상대적으로 나타내는 것 으로 p+는 p-에 비해 p-type 불순물의 농도가 높다는 것을 나타내 는 표시임을 다시 한 번 강조한다. 뒤에 n+, n- 표기도 나오는데 마 찬가지로 n+ 부분이 n- 부분보다 n-type 불순물의 농도가 높다는 의미지, n+ 부분이 양의 전기를 띤다는 말이 아니다. 즉 p+, p-, n+, n-에서 +, -는 전기적 특성을 나타내는 것이 아니라 불순물의 농도를 나타낸다. 전기적 특성은 p, n 부분이 전기적 특성을 나타내는 것으로 p+, p- 부분은 양이라는 의미로 양전하 홀이 많은 p-type 반도체이고, 다시 말해 n+, n- 부분은 음이라는 의미로 전자가 다수 캐리어인 n-type 반도체를 의미한다. 다시 p+ 부분은 아래의 p- 부분에 전압을 가하기 위해 삽입했다고 했는데, 왜 하필 p+로 하는가? p-이면 안 되는 것인가? 그것은 전기적 특성 때문에 그렇다. p- 부분에 직접 도체를 연결해서 전압을 가하는 것보다 농도가 짙은 p+를 도체에 연결시키고 그 p+를 p-에 연결시키는 것이 p-에 직접 도체를 연결 시키는 것보다 훨씬 전압의 전달이 잘되기 때문이다. 이렇게 '도 체→p+→p-'로 연결시키는 것을 오믹 컨텍(ohmic_contact)이라 한 다. n-type 반도체에서도 마찬가지다. n-에 도체를 연결시킬 때는 중간에 n+ 반도체 층을 만들어서 '도체→n+→n-' 순으로 연결시키 는 것이 좋다. 와플, 웨하스, 웨이퍼, MOS에 대해 더 들어가기 전에 웨이퍼(wafer)에 대해 조금 설명하면, 웨이퍼는 얇은 규소판으로 가공하기 전의 새 모습이다. 이런 가공 전의 웨이퍼를 아직 옷을 입지 않은 발가벗은 상태라 하여 베어 웨이퍼(bare wafer)라고 한다. 이 베어 웨이퍼에 여 러 단계의 물리적, 화학적 가공을 하여 표면에 IC를 형성시키는데, 그 가공단계를 거치고 나면 그 모양이 마치 우리가 먹는 '와플' 모양이다. 둥근 웨이퍼 위에 작은 사각형들이 밀집되어 있다. 이 사각형 하나하나가 전자 회로가 집적되어 있는 진짜 IC들 인데, 이것을 다이(die)라고 한다. 맨눈으로 보기에는 이 다이들이 서 로 붙어 있는 듯 보이지만, 사실은 다이와 다이들은 일정한 간격을 두고 서로 떨어져 있다. 이 떨어뜨린 간격을 스크라이브 라인(scribe line)이라 한다. 다이와 다이 사이에 이처럼 스크라이브 라인을 두는 이유는, 웨이퍼 가공이 다 끝난 후 이 다이들을 한 개씩 잘라서 조립 하여 칩으로 만들기 위해 다이아몬드 톱으로 잘라 낼 수 있는 폭을 두는 것이다. 이 폭을 스크라이브 라인 폭(scribe line width)이라 하는 데, 이 폭은 80년대 초반 약 200마이크로미터에서 점점 줄어들어 요 즘은 약 70마이크로미터 정도다. 물론 기술의 발전에 따라 이 폭은 점점 더 줄어들 것이다(7장 중 '반도체 포장'에서 다룰 것임).
다이아몬드 톱으로 다이를 잘라 내는 과정을 톱질한다는 의미로 소잉(sawing) 작업이라고 한다. 이 잘라낸 다이는 (a)와 같고 (a)를 플라스틱이나 세라믹으로 덮어씌우면 (b)와 같은 반도체 칩이 되는 것이다. 플랫 존(flat zone)은 웨이퍼 가공시 기준선이 된다. 즉 이 플랫 존을 기준으로 웨이퍼가 바로 놓였는지, 각도가 어느 정도 틀어져 있는지 등을 판단한다. 근래에는 플랫 존이 없고 대신에 노치(notch)가 있는 웨이퍼도 있다. 노치 웨이퍼에서는 이 웨이퍼에 파인 작은 홈 노치가 플랫 존의 역할을 한다. 노치 웨이퍼가 플랫 존 웨이퍼보다 더 많은 다이가 들어가 있는 것을 알 수 있다. 이 점이 노치 웨이퍼의 장점이다. 물론 제조장비가 이 노치를 인식할 수 있는 장비일 때 말이다.
엔모스의 속살
NMOS가 형성된 웨이퍼를 수직으로 절단한 면을 보여 주는 것이다. 여기서 바닥의 흰색 부분은 NMOS를 형성시킬 기판에 해당되므로 서브스트레이트(substrate) 또는 벌크(bulk)라고 한다. 이 서브스트레이트는 웨이퍼 그 자체다. 왼쪽부터 명칭을 살펴보면, 맨 왼쪽의 p+ 부분을 픽업(pick-up)이라고 한다. 이 픽 업은 서브스트 레이트에 전압을 공급하기 위한 것이고, 이것이 위쪽에 배치됨으로써 웨이퍼 뒷면을 가공하지 않아도 되는 장점이 있다. 그리고 그 옆의 n+ 부분은 '근원'이라는 의미로 소스(source)라고 한다. 즉 n-type 반도체에선 전자가 다수 캐리어로 NMOS에선 전자 가 캐리어가 되는데, 이 캐리어의 근원이라는 이야기다. 맨 오른쪽의 드레인(drain)은 캐리어가 빠지는 곳이라 하여 붙은 이름이다. MOS 에서는 이 소스와 드레인이 같은 타입(type)이다. 즉 소스가 n-type 이면 드레인도 n-type이고, 소스가 p-type이면 드레인도 p-type이 다. 이 소스와 드레인이 n-type이면 NMOS, p-type이면 PMOS가 21/10" 있다. 소스와 드레인 사이에 하늘색 부분은 부도체인 산화층이다. 이 산화층은 산화규소(SiO2)로 이루어져 있고, 그 위에 다시 도체인 폴 리가 있는데, 이 폴리층을 게이트(gate)라고 한다. 캐리어가 지나다 니는 문이라는 말이다. 이렇게 NMOS에는 소스, 드레인, 게이트, 서브스트레이트 등 네 개의 전극이 존재한다. 전자공학에선 NMOS를 (a)와 같은 기호(symbol)로 표시하는데, 특수한 경우를 제외하고는 NMOS의 서브스트레이트는 접지 전압(0볼트)을 걸어 주기에 굳이 일일이 표 시할 필요가 없어서 (b)의 기호를 더 많이 사용한다. 지금까지 NMOS의 구조와 명칭에 대하여 설명했는데, 이것들을 입체적으로 잘 기억해 두기 바란다. NMOS의 입체 구조와 단면도, 평면도를 나타냈는데, 이것들과 NMOS의 기호를 자 유자재로 연관시킬 수 있어야 한다. 반도체 설계팀에선 주로 다루는 한편, 제조팀에선 서로 의사소통을 하기 위해서는 네 가지를 한꺼번에 떠올라야 한다. (c)를 특별히 레이아웃(layout)이라 하는 데, 반도체 설계의 최종 단계의 산출물이다. 반도체 제조팀에서는 이 레이아웃을 가지고 실리콘 웨이퍼와 레이아웃이 똑같은 모양이 되도록 웨이퍼를 가공한다.
엔모스는 어떻게 동작할까?
전자공학과 전기공학에서 사용하는 전원과 접지를 나타 내는 기호이다. 전원은 VDD. Vdd, VCC, Vcc 등으로 표기하며 회로 에 공급되는 전압을 나타낸다. 또한 접지는 VSS, Vss, GND, gnd 등으로 표기하며 회로의 기준이 되는 전압으로, 산의 높이를 말할 때 '해발'이라는 말을 붙이는 것과 비슷하고, 0볼트라고 생각하면 이해 하기 쉽다. 즉 노드가 5볼트라고 하면 접지에 비해 전압이 5볼트라 는 의미다. 반도체에서 사용되는 Vdd는 80년대 5.0볼트에서 요즘은 1.8볼트까지 내려갔다. 이 전원 전압은 사용하는 공정에 따라 달라 지는데, 계속 낮아지고 있다. 지금까지 NMOS의 동작원리를 설명하기 위하여 먼 길을 왔다. 이제 본론으로 들어가서 NMOS가 어떻게 동작하는지 살펴보면 그 림 5.13은 아직 전압이 가해지지 않은 상태의 NMOS를 나타내고 있 다. p-type의 벌크(B)에는 홀이 전자보다 압도적으로 많이 존재하고 있다. 지금은 소스(S), 드레인(D)은 볼 필요가 없어서 벌크의 캐리어 들만 표시했다. 앞에서 전압은 전위의 차이이기 때문에 뭔가 기준이 있어야 한다 고 했다. 소스와 벌크는 둘 다 접지되어 있다. 벌크에 는 픽업(p+)을 통해 0볼트가 가해진다. Vos가 0볼트보 다 작을 때이다. Vas란 소스에 대한 게이트(G)의 전압인데, 소스는 접지, 즉 0볼트이므로 게이트의 전압이 음이다. 그리고 소스와 벌크 는 같은 전압이므로 벌크에는 0볼트, 게이트에는 마이너스 전압이 걸렸다는 의미다. 게이트에 마이너스 전압이 걸렸으니, 양전하인 벌 크의 다수 캐리어 홀들이 게이트 쪽으로 몰려든다. 자석에서 N극과 S극이 서로 끌어 당기는 것을 연상하면 된다. 그러나 게이트 바로 밑 에 부도체인 산화규소(SiO2, 하늘색 부분) 층이 존재하므로 게이트에 도달하지는 못하고 게이트 밑으로 몰려든다. 게이트 아랫부분을 확 대하면 소스는 n-type 반도체이고 게이트 아랫부분은 홀들이 몰려 있으니 p-type 반도체이다. 이것은 2장에서 설명한 다이오드와 같은 구조이다. 이 다이오드에 전류를 흐르게 하기 위해서 는 다이오드의 양극(p-type 반도체)에 음극(n-type 반도체)보다 문턱 전압(약 0.7볼트) 이상 높은 전압이 가해져야 하는데 지금은 소스와 벌크의 전압이 같다. 즉 다이오드의 양극 p-type 반도체의 전압이 다 이오드의 음극 n-type 반도체보다 문턱 전압 이상으로 높지 않아서 2장에서 설명한 대로 소스에서 드레인으로 캐리어(전자)가 이동하지 못한다. 이렇게 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르지 않는 상태를 오프(off) 상태라 한다. 게이트의 전압이 음의 값에서 양의 전압으로 점점 올라가게 되면 게이트 밑에 모인 홀들이 같은 전기를 띠는 게이트에 반발하여 게이 트 쪽에서 떨어져 멀리 이동하게 되고(자석의 같은 극끼리는 서로 밀치 는 것을 연상하면 된다), 음전하인 전자들은 양의 전기를 띠는'게이트 쪽으로 이동하기 시작한다. VGS가 점차 올라가서 일정 전압에 이르면 게이트 밑에 전자들이 모여 소스와 드레인을 연결시켜 준다. 소스와 드 레인도 전자가 다수 캐리어인 n-type이고, 그 사이를 전자들이 연결 시킨다. 이 게이트 밑에 모인 전자들의 충(layer)을 캐리어가 지나다 니는 통로라 하여 채널(channel)이라 한다. 이렇게 채널이 형성되면 전자는 소스에서 드레인으로 이동이 가능하고 전류는 드레인에서 소스로 흐르게 된다. 이렇게 채널을 형성시키는 일정한 어떤 전압을 문턱 전압(threshold voltage) Vr라고 한다. 전류가 흐르므로 이 상태 를 NMOS가 온(on) 되었다고 한다. NMOS는 VGS가 문턱 전압 V+보다 낮으면 오프 되고, V₁보다 높 으면 온 된다. 물론 Vas가 더 높아질수록 채널이 더 두껍게 형성되어 전류는 더 많이 흐른다. 문턱 전압 V₁는 공정에 따라 다른데, 요즘은 0.6볼트 정도 된다. 나중에 자세히 다루겠으나, 아날로그(analog)와 디지털(digital)의 차이를 MOS 수준에서 구분하면 바로 이 점이다. 즉 디지털에서는 MOS의 온, 오프만 다루는 데 반하여, 아날로그에 서는 온, 오프 이외에도 온이 되는 수준이 얼마나 되는지를 따지고 이용한다. 이상의 내용을 요약하면 다음과 같다. NMOS는 VGS ≥ VT이면 온 되고, VGS < VT이면 오프 된다. V₁는 약 0.6볼트 정도이다. NMOS에서 소스와 드레인은 물성적으로 하등의 차이가 없다. 단 지 전압에 의해서 소스가 되고 드레인이 되는 것이다. NMOS에서 캐리어는 전자이므로 음전하인 전자의 소스가 되기 위해선 음의 전 압 쪽 즉, 전압이 낮은 노드가 소스가 되고 그 반대쪽이 드레인이 되 는 것이다. 쉽게 외우려면 Vss가 걸리는 쪽이 소스, 그 반대편이 드 레인이라고 생각하면 된다. 그래서 NMOS에서 전류는 전자 이동의 반대 방향인 드레인에서 소스 쪽으로 흐른다.
반도체 제대로 이해하기 강구창 지음
