반도체

1 개요

일반적으로 전기적으로 도체와 부도체 사이의 성질을 띠고 있는 물질이라고 하나, 정확한 정의를 위해서는 에너지 띠(Energy Band) 와 금지대역또는 띠 틈(Forbidden Zone/Band Gap)등 양자역학적 개념이 필요하다. 대표적으로 탄소-실리콘-게르마늄으로 이어지는 14족의 물질들이 이에 해당하며, GaAs와 같이 13-15족 등 14족을 가운데로 하는 두 물질의 화합물도 이 성질을 갖는 경우가 있다.

보통 경제 기업, 산업 등에서 이야기 할 때의 반도체는 물질 그 자체보다 반도체 소자(Semiconductor Device)를 이야기하는 경우가 많다. 이 분야는 반도체 물질을 이용해서 전기회로의 가장 기본적인 요소를 만들어내는 것이다. 상세한 것은 후술

2 에너지띠 이론

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에너지띠란 윈자군 전체에 걸리는 전자의 이동범위 또는분자전체에 걸리는 에너지 준위를 모두 겹치고 싸여 만들어 지는 것이다. 따라서 물리학 에서 말하는 에너지 의 원자 하나가 아니다 다원자이다.
에너지띠 이론은 크게 두 가지로 설명할 수 있다. 하나는 준자유전자모델(Nearly Free Electron model)과 Tight binding 모델이다.[1] 둘은 고체 내부의 전자들의 집단적인(collective) 거동을 두 가지 관점에서 바라 본 것이다. 흔히 물리적 현상은 간단한 모델에서 부터 점점 실제와 비슷한 조건을 부여하여 발전해 가는데 반도체 이론도 이와 같은 흐름을 가지고 있다. 준자유전자 모델의 경우 완전히 자유로운 전자의 설명에서 살짝 덜 자유스러운 전자로 바꿈으로써 에너지 밴드를 설명한다. Tight binding 모델은 단일 원자의 최외곽 전자처럼 묶여 있지만 약간의 에너지로도 떠날 수 있는 상태[2]에서 설명을 시도한다. 정리하면 준자유전자는 완전히 자유로운 전자로 부터 시작하고 Tight binding은 강하게 묶인 상태로 부터 시작하여 둘 사이 어디쯤에 있는 실제 반도체의 상태를 설명하려 시도 한다. 이 둘을 모두 배운 학생은 두 개를 모두 배우면서 둘의 연관성을 찾기 힘들어 고민 할 수 도 있는데 이는 마치 어떤 현상을 거시적인 관점에서 부터 접근하는 방법과 양자역학 적인 관점으로 접근하는 방법 두 가지가 있는 것 처럼 반도체를 두 가지 조건으로 부터 발전시켰다고 생각하면 된다.

첫째인 준자유모델로 자유전자에 아주 약하고 규칙적인 전기적 포텐셜을 섭동으로 도입하면 자유전자가 가질 수 있는 에너지는 더이상 연속적이지 않고 불연속적으로 나타나게 된다. 이 모델은 양자역학의 슈뢰딩거 방정식을 규칙적인 포텐셜이 있을 때 풀어낸 해로 구했으며 처음 이를 유도한 블로흐는 지도교수인 하이젠베르그로 부터 고체물리학이 태동했다는 말을 들었다는 썰이 있다. 실제로도 그렇다. 블로흐 방정식이라고 이름까지 붙어있다.

나머지 하나는Tight binding 모델로 분자오비탈 이론과 유사하다. 뭐 거의 같은 논리적 흐름을 따른다. 분자오비탈 이론은 분자를 이루는 몇 개의 이온에 대하여 접근하지만 tight binding 모델은 수많은 이온들이 있을 때라는 점이 다르다. 규칙적으로 물질이 배열되어 있을 때 원자핵이 만드는 주기적인 에너지 우물에 강하게 속박되지 않은 (잠재적인) 자유전자의 파동함수를 구하면 단일 우물일때는 특정 에너지값들에서만 전자의 존재가 가능하지만, 우물들이 서로 간섭해 특정 값들이 모여 존재가 가능한 영역을 만든다. 이것을 원자의 경우에 적용시키면, 원자사이의 거리가 멀어서 원자들끼리 간섭하지 않을 때는 원자 내부의 전자는 양자화된 에너지 준위를 가지지만 원자간의 간격이 가까워져서 서로 간섭을 일으키게 되면 파울리의 배타원리에 의해서 영향을 주고 받는 원자들의 개수만큼 에너지 준위가 분리된다. 고체의 경우 원자간 간섭에 의해 오비탈의 에너지가 갈라지고, 각 원자들의 미세한 차이들이 모여 전자가 존재가능한 연속영역[3]인 에너지 띠(Energy band)와 전자가 존재하는것이 불가능한 빈 공간인 띠틈(band gap)[4]이 만들어진다. 이제 낮은 에너지 띠 영역에서부터 고체의 전자들이 채워지는데, 절대영도를 기준으로 에너지가 가장 큰 전자[5]가 채워진 에너지 띠를 원자가 띠(가전자띠. valence band), 전자가 채워지지 않은 빈 에너지 띠들 중에 가장 낮은 에너지 띠[6]를 전도띠(conduction band)[7]라고 한다.

3 반도체의 전기적 성질

고체의 전기 전도성은 원자가 띠와 전도띠 사이의 띠 틈에 의해 결정된다. 도체의 경우 원자의 에너지 준위가 분리되어 에너지 띠를 만들때, 원자가 띠와 전도띠의 영역이 서로 겹쳐져서 띠틈이 존재하지 않아 원자가 띠의 전자가 약간의 열에너지 만으로도 전도띠로 건너 뛸수 있거나, 전자가 원자가 띠를 가득채우지 못해서 원자가 띠의 빈 공간이 전도띠의 역할을 한다. 그래서 실온 정도의 온도가 되면 자유전자가 엄청나게 많이 생겨 전기 전도성이 커지게 된다. 외곽전자결합이 약하고 띠에 여유도 많아 쉽게 움직이는 알칼리 금속이나 알칼리 토금속, 혹은 준위 중간에 빈틈이 많아서 전자가 이동하기 쉬운 전이 금속이 대표적인 도체이다. 부도체의 경우 원자가 띠와 전도띠 사이의 띠틈이 크기 때문에[8] 원자가 띠에 가득 찬 전자가 전도띠로 건너뛰지 못해 자유전자가 생기기 힘들어 전기 전도성이 작아진다.[9]

반도체의 경우 원자가 띠와 전도띠 사이에 띠틈이 2eV이하로 작아서 주변 온도에 의한 열에너지 만으로도 전자가 전도띠로 건너뛸수 있다. 이러한 에너지띠 구조의 특징으로 인해 온도에 의한 전기전도성의 변화가 크다. 실온정도의 온도를 기준으로 설명하자면, 실온에서는 약간의 전자가 전도띠로 건너와 있는 상태라 어느정도 전기가 통한다. 여기서 온도를 더 높여주면 더 많은 전자가 전도띠로 건너 뛰어 자유전자가 되고 반대로 온도를 낮춰주면 전도띠의 자유전자가 원자가띠로 떨어지면서 전기가 잘 통하지 않는 특성을 가지게 된다. 즉, 어떠한 온도를 기준으로 그 온도 이상에서는 전기가 비교적 잘 통하고, 필요한 값 미만으로 온도가 낮아지면 전기가 통하지 않는다는 것이다.[10]

반도체 소재는 크게 진성반도체(intrinsic semiconductor), 외인성 반도체(extrinsic semiconductor)로 구별하며, 외인성 반도체는 또다시 N형(Negative Type)반도체와 P형 반도체(Positive Type)로 나뉜다. 진성반도체는 '순물질'로 규정될 수 있는 물질로 이루어진 반도체이다. Si, GaAs 등이 이러한 반도체로 원소의 종류에따라 공유 또는 이온결합한다.

전하를 운반하는 운반자를 캐리어(Carrier)라고 한다. 공유결합이나 이온에 속박되어있던 전자가 열에너지 등에 의해 전도띠 에너지로 들뜨게 되면 전기퍼텐셜에 의해 전하를 운반할 수 있다. 그런데, 전도띠로 전자가 들뜨게 되면 원자가 띠에는 전자의 빈자리가 생기게 된다. 전자의 빈자리가 생기게 되면 원자가 띠에 있는 전자들도 움직일 수 있게 된다. 그러나 원자가 띠에는 전자가 거의 꽉들어차있어서 이 많은 전자들의 운동을 기술하는 것은 불가능하다. 따라서 전자의 빈자리를 하나의 입자로 보고 이것을 캐리어로 기술하는데, 이 캐리어를 양공(Hole)이라고 한다.

완전한(perfect) 진성반도체는 결합되어있던 전자가 결합에서 벗어나 자유전자가 됨에 따라 그 빈 자리인 정공 역시 같은 숫자로 생성되기 때문에 전자와 정공의 농도가 같을 수 밖에 없다. 그 농도는 전자의 총분포밀도(Population Density, 페르미-디락 분포과 관련되어있다.)를 전도띠 영역에서 적분하여 얻을 수 있다.

불순물을 첨가한 외인성반도체는 주 캐리어가 양공인 P형(Positive type) 혹은 주 캐리어가 전자인 N형(Negative type) 반도체로 나뉜다. 이 때 추가하는 불순물을 도펀트(Dopant)라고 하며, 주 캐리어가 양공인지, 전자인지는 도펀트의 원자가 특성에 의해 결정된다. 간략히 설명하면, 도펀트가 바탕물질(Matrix)보다 원자가가 높으면 결합하고 남는 전자를 전도띠로 내어놓아 전자가 주 캐리어가 되고, 도펀트가 바탕물질보다 원자가가 낮으면 오히려 결합을 위해 많은 전자가 필요하여 원자가띠의 전자를 흡수하므로 원자가 띠에 양공이 생겨 양공이 주 캐리어가 된다. 일반적으로 단위부피(1세제곱센티미터)당 바탕물질의 양은 10^22~10^23개의 원자가 있는데, 도펀트의 양은 보통 10^16정도이다. 따라서 수만개 중 1개의 도펀트 정도가 물질의 전기적 특성을 바꿔버리는 셈.


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더 구체적이고 자세한 내용은 재료공학이나 고체물리학을 공부하면 된다.

4 반도체 소자

반도체 소자(Semiconductor Device)

P형 반도체와 N형 반도체를 활용하여 P-N접합을 통해 전류의 흐름이 일정한 방향으로 흐르게 하는 pn 접합형 다이오드나 P-N-P, N-P-N접합을 이용해 전기신호를 증폭시키는 바이폴라 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)를 만들어낼 수 있으며, 이외에도 금속을 n형 반도체 재료로 가볍게 도핑하는 쇼트키 다이오드, 금속과 융합한 CMOS, 그 하위부류인 FET나 MOSFET 등으로 만들어지며 이에 얽힌 발달과정이 현대 정보산업의 발전으로 이어졌다.

메모리 소자로는 현재 DRAM과 플래시 메모리가 주로 사용되고 있으며, 앞으로 예상되는 발전 방향은,현재 비휘발성 RAM인 MRAM(자기저항램)[11]과 PRAM(상변화램)[12]이 연구중이며, MRAM은 이미 우주분야나 블랙박스와 같은 최첨단 중의 최첨단의 분야에서 사용되기 시작했다.

MRAM과 PRAM은 속도는 DRAM과 같지만 전원 공급이 중단되어도 데이터를 상실하지 않고 수명도 사실상 무한하다. 말그대로 궁극의 저장매체인 것이다. 만일 개인용 컴퓨터 시장[13]에서 SSD가 하드디스크를 완전히 밀어낼 시점이 다가오면 MRAM이나 PRAM을 이용한 저장매체가 나와 SSD의 자리를 위협할 것이다.

삼성전자에서는 PRAM 양산을 위한 연구를 진행하고 있으며 MRAM은 독일의 반도체 연구소인 PTB에서 양산 알고리즘을 연구하고 있다. FeRAM(강유전체 램)이라는 것도 있지만, 시제품을 만들어 놓고 보니 개념(이론)과는 너무도 다른 결과를 보여줬다. 즉, 속도도 예상했던 DRAM만큼 나오지도 않았고 고용량을 위한 고도집적화도 거의 불가능해 지금은 시망, 좆망 테크를 타고 있는 중. 참고로, 일본 후지쯔에서 어찌어찌 해보겠다고 강짜를 놓다가 역시 좆망.

MRAM과 PRAM의 경우는 프로토타입 단계는 이미 2000년대 초반에 지났고 현재는 소자의 고도화, 양산화를 위한 연구가 진행중에 있다.[14][15] 즉, 학계의 손을 떠나 기업 주도로 연구ㆍ개발이 이루어지고 있는 것. 참고로, 학계의 동향을 항상 신뢰 할 수 있는 것은 아니다. CPU 공정 단위가 수십 나노미터 단위로 내려가기 전까지 학계에서는 지속적으로 그 이하[16]는 불가능하다는 주장이 강했지만, 기업의 공밀레 정신으로 그것을 극복해 냈다[17].
또한 학계는 IGZO트랜지스터가 차세대 디스플레이 구동 소자로 연구되기 전 까지 나노결정(나노액정) 실리콘(Nanocrystalline silicon)을 매우 주목했으나, 시제품은 기존 디바이스의 단점만 모인 영 쓸모 없는 것이었다.
그리고 또 하드디스크가 언제 다시 부활할지도 알 수 없다. 현재 MRI(자기 공명 단층 촬영 장치)에서 상을 얻는 방식을 하드디스크에 적용하여 데이터를 입출력하는 것이 연구되고 있으며, 이것이 실현된다면 하드디스크의 속도는 데이터가 RAM을 거치지 않을 정도일 것으로 예상된다.

사실, MRAM과 PRAM을 대체할 반도체도 기다리고 있다. 바로 RRAM(저항메모리)와 NRAM(나노램)이 기다리고 있다. MRAM이 박막의 스핀배열이 평행/반평행인지에 따라 저항이 변화는 스핀밸브현상 혹은 거대자기저항(GMR)을 이용한 소자라면, RRAM은 멤리스터라고 불리는 물질을 사용하여 일반적으로는 전기를 잘 통하지 않지만 (높은 저항) , 유전체 사이의 전도 path를 일시적으로 형성하여 저항을 낮출 수 있다.

또, 개념상 제시된 미래의 RAM에는 밀리페드(Millipede) 반도체와 경주트랙(Racetrack) 메모리라는 것도 있다. 가장 멀리있는 가시거리내 기술로는 Nano Magnets - 분자단위 자기적 정보 저장기술로 2012년 6월, 분자단위로 자기 정보를 바꾸는 단계까지 와있다.# 즉, 지금의 SSD개념이 궁극적인 저장매체라는 착각을 해서는 안된다는 것. 반도체 공학의 세계는 끝이없으므로, 계속 공부를... 참고로, 카이스트 전기및전자공학과 명 모 교수가 수업시간에 상술한 반도체들의 상용화 예측 연도를 강의한 바 있는데 MRAM이나 PRAM은 2020년대 초중반, RRAM은 2020년대 후반, 밀리페드는 2030년대, 레이스트랙은 2050년대, 나노저장장비는 2000년대 중후반으로 제시했다. MRAM에서 RRAM간의 상용화 주기가 약간 짧은 것은, 사실상 RAM의 물리적 구조를 개선한 것이기 때문이다. 밀리패드 부터는 기존의 RAM과는 완전히 다른 새로운 구조이다.

현대 반도체 산업의 중심인 Si는 석영의 주성분으로서 지각에 가장 많은 2대 원소 중 하나이며 암석의 주요 성분이기 때문에 현대를 철기시대에 이은 새로운 석기시대라고 제3 석시대?[18] 농담 삼아 말하는 경우도 있다.

브리트니 스피어스가 사실은 반도체 전문가라 카더라

5 관련항목

  1. ↑ 우리말로 적절한 단어가 있으면 추가바람.
  2. ↑ itinerant electron이라고 한다. 이를 자유전자라고 잘못 기술한 책이나 설명하시는 교수님들이 가끔 계시는데 자유전자와 itinerant 전자는 다르다. 자유 전자는 결정을 이루는 이온과 상관 없이 완전히 자유롭지만 itinerant 전자는 대부분의 시간을 이온에 머물다가 움직일 때만 살짝 움직이는 이른바 호핑(hopping)형태로 움직인다.
  3. ↑ 물론 기본적으로 양자화되어 있는 에너지 띠가 분리된 것이기 때문에 앞에 언급되어 있는것과 같이 실제로는 미세한 에너지 차이가 있다. 다만 그 차이가 미세하기 때문에 연속적인 영역인것처럼 다루는것.
  4. ↑ 혹은 금지대(금지된 띠, forbidden band)라고도 하고 에너지 간격(energy gap)이라고도 한다. 이 Gap을 번역할 때 순우리말을 일반적이지 않은 단어에 까지 과도하게 사용하여 이해하기 어렵게 만든 번역서들로 인해 이러한 용어들이 불편해 지기도 한다. 고등학교 과학교과서나 위키백과 등에서는 띠틈이라는 용어로 band gap을 나타내는 등, 용어를 통일 시키려는 노력은 하고 있는듯.
  5. ↑ 참고로, 절대영도에서 고체의 전자가 가질수 있는 최대의 에너지를 페르미 에너지라고 한다.
  6. ↑ 그러니까 원자가 띠 바로 위에 있는 에너지 띠
  7. ↑ 주로 전도띠에 전이되어서 고체 내부를 자유롭게 이동할수 있는 전자를 자유전자라고 부른다.
  8. ↑ 보통 2eV 이상의 에너지 간격이 있으면 부도체로 본다.
  9. ↑ 물론 전기 전도성은 에너지 띠 구조 이외에도 외부 환경에 따라 달라질 수 있다. 예를 들자면 온도가 높아질 경우, 부도체의 전자가 열에너지에 의해 자유전자가 될 확률이 높아져 전기전도성이 커진다. 도체의 경우는 증가하는 자유전자의 영향보다 원자핵의 진동으로 인해 저항이 커지는 효과가 생겨 오히려 전기 전도성이 작아진다.
  10. ↑ 컴퓨터에 열을 식히기 위한 방열판, 팬등을 붙이는 가장 큰 이유가 이것이다. 반도체 소자가 과열되면 전기 전도도가 바뀌면서 원하지 않는 동작이 마구 발생할 수 있으니까.
  11. ↑ 기본 회로 구조는 DRAM과 같지만 데이터 입력부에 자기저항소자(TMR)을 두어 이 저항에 의해 전력 상실 후에도 0과 1을 저장하는 구조이다.
  12. ↑ DRAM의 기본 구조에 칼코게나이드계 유리질을 두고 그 유리질이 열에 의해 변화함을 이용하여 0과 1을 전력 상실 후에도 저장하는 방식이다.
  13. ↑ 어차피 서버컴퓨터나 슈퍼컴퓨터에서는 데이터의 손실가능성 때문에 반도체성 저장매체를 최상위 저장매체로 사용할 순 없다. 사실, 서버에서 SSD를 사용할 수는 있긴 있지만, 최종 결과를 저장하는 매체로는 사용할 수 없다. 서버군에서 SSD는 최종결과를 저장하는 기관이라기보다는 특정단위기간 동안의 작업을 일시적으로 저장하는 일종의 캐쉬 개념으로 사용할 수 있을 것이다.
  14. ↑ 이미 16MB이하의 소용량 MRAM, PRAM은 양산에 성공했으며 인공위성이나 비행기 블랙박스등과 같이 극한의 환경에서 빠른 데이터 처리를 요하는 분야에서 사용되고 있으며, 일부 SSD에도 캐시용으로 사용되고 있다.
  15. ↑ 2013년에는 Everspin사에서 64MB MRAM 저장매체를 선보인다고 하며, 일반 저장용도 이외에 DDR3이나 DDR4 램으로도 사용할 수 있다고 한다. 비록 아직은 용량이 작고 단위용량당 가격이 SSD에 비해 50배이상 비싸지만, 양산상용화를 확인한 것이어서 후속 제품 개발이 활발하게 이루어질 것이다. Everspin사에서 내놓은 기술자료에 따르면, MRAM의 속도는 SSD보다 480~500배정도 빠르다.
  16. ↑ 40나노 이하. 이는 CPU뿐만 아니라 모든 반도체 소자에 해당하는 것이었고, 좀 더 정확히 말하자면 그냥 불가능하다는 것이 아니라 '양산이' 불가능하다는 것이었다. 참고로, 학계에서는 4.0GHz의 진동수를 갖는 반도체 소자를 양산하는 것이 불가능하다는 입장이었다.
  17. ↑ 이것도 반도체 공학적으로 보자면, 완전히 40나노 미만의 반도체를 생산하고 있다고 봐야하는지 아닌지 논란이 될 수 있다. 40나노 이하의 홈(전자가 지나다니면서 0과 1을 처리하는 홈)을 가진 반도체를 생산 할 수 없다는 것은 아직도 정설이다. 왜냐하면 40나노 이하의 간격으로 홈을 팔 경우 홈 사이의 거리가 너무 좁아 홈을 지나다니는 전자끼리 만날 수 있기 때문이다. 그래서 40나노 이하의 반도체는 홈과 홈 사이에 나노소자의 부도체를 넣거나 원래 u자형인 홈을 O자형태가 되도록 위를 덮는 방법을 사용하고 있다. 이렇게 될 경우 홈 간격을 줄여서 소자 다이의 면적을 줄이거나 소비전력을 줄이는데서 비효율적이 된다. 지금의 경우는 대량생산에 의한 규모의 경제로 그러한 비효율을 극복해 나가고 있는 상황. 참고로, 많은 사람들 심지어 전공자들까지도 홈의 간격이 줄어들면 발열이 적어진다고 생각하는데, 그것은 40나노까지 적어질 경우에나 그런것이고 그 미만 공정으로 가면 전자가 지나다니는 간격이 좁아지면서 발열이 점증하게 된다. 한가지 더 이야기하자면, 현재 30-20나노 수준에서는 u자형 홈을 유지하되 홈 사이사이에 부도체를 넣는 방법을 사용하고 있다. O자형 홈은 2020년대 중후반으로 잡혀 있는 10나노 공정에 가서야 사용할 수 있을 것으로 보인다. 홈을 O자형으로 파거나 u자형 홈 위에 규소를 덮어서 O자형 홈으로 만드는 과정은 현재 기술수준에서 상상을 초월하는 고난도 곡예이다. 는 갓성이 해냄 [1]
  18. ↑ 중석기 시대는 그닥 현저하게 드러나는 녀석이 아니므로... 중고등학교 국사에 중석기 시대가 나오지 않는 것만 봐도.
  19. ↑ 비메모리 반도체의 1인자. AMD 지못미
  20. ↑ 메모리 반도체의 1인자. 하이닉스 지못미