반도체 공부

반도체, 그리고 현재 – 반도체의 집적도를 높이고 한계를 극복하는 기술의 등장

무어의 법칙 - 18개월마다 반도체 성능 2배로 개선

황의법칙 - 1년마다 반도체 성능 두개로 개선

반도체의 발전은 트랜지스터 크기를 줄여 제한된 면적에 더욱 많은 트랜지스터를 집어 넣어 집적도를 높이는 방법으로 발전되어왔다.

반도체의 가장 중요한 기능 중의 하나가 스위치 기능이다. 그럼 어떤 스위치가 좋은 스위치일까?

첫 번째, 스위치를 켜고 끌 때 그 전류의 흐름을 빠르게 연결하고 빠르게 끊어야 할 것이다. 

두 번째, 스위치를 켰을 때 전류가 끊김없이 잘 흘러야 하며, 껐을 때는 전류가 전혀 흐르지 않아야 한다. 

세 번째, 그 스위치를 켜고 끌 때 적은 힘으로도 부드럽게 켜고 끌 수 있다면 더욱 좋을 것이다.

트랜지스터의 성능을 높이는 가장 일반적인 방법은 두 가지가 있다. 

첫 번째는 전자입구인 소스에서 전자출구인 드레인까지, 전류통과 길이인 게이트렝스를 줄이는 방법이다. 

두 번째는 위의 그림에서 검은색으로 칠해진 절연체(gate oxide)의 두께를 줄이는 것이다.

소스와 드레인 간의 서로 거리가 너무 가까워지다 보니,게이트에 전류 자극을 주지도 않았는데도 이들 사이에 조금씩 전류가 흐르는 ‘누설전류’가 나타나기 시작한 것이다. 게다가 그 반도체에는 수억 개의 트랜지스터가 집적되다 보니, 그 누설전류들 역시 무시할 수 없는 수준이 되었다.

그래서 반도체 제조업체들은 게이트 렝스를 줄이고 게이트 절연체 두께를 얇게 만들어도 누설전류가 최소화되는 방법을 연구하기 시작했다. 이들 문제에 대항하고자 근래에 들어 등장한 대표적 기술들이 ‘High-K’와 ‘Fin-FET’다.

출처 http://www.amkor.co.kr/archives/591

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반도체, 그리고 현재 – 누설전류를 해결하는 기술 HIGH-K와 FIN-FET

High K

우리가 지금까지 많이 들어본 ‘Low-K’는 반도체의 트랜지스터 부분이 아닌, 트랜지스터에 입력되거나 출력되어 나온 전류 혹은 신호들이 전달되는 일반 금속 배선들에 사용되는 절연 물질이다.즉, 전기 스위치를 예를 들면 <그림2>에서 보는 것과 같이 High-K는 스위치 역할을 하는 게이트에 사용되는 절연 물질이고, Low-K는 그 스위치에 입력 혹은 출력되는 배선에 사용되는 물질이다. 이들은 절연이라는 기본 기능은 같지만 특성은 매우 다르다. Low-K에 대한 설명은 2009년 10월호 사보 [미래로 가는 패키지]에서 소개된바 있다.

High-K 게이트 아래에 있는 절연 물질을 일반적으로 게이트 산화물(Gate oxide)이라고 하는데 실리콘을 고온으로 높여 산화실리콘을 형성함으로써 만든다. 그런데 이 산화실리콘을 점점 얇게 하면 그만큼 적은 게이트 전류에도 트랜지스터 스위치를 작동하게 할 수 있다는 이점이 있고, 그만큼 게이트 조절 전류값을 낮출 수 있어서 트랜지스터에서 소비되는 전력을 아낄 수 있었다. 하지만 산화실리콘이 너무 얇으면, 이를 통해 누설전류가 발생하는 부작용이 나타나 그 두께 일정 이하로 얇게 만들 수가 없었다. 그래서 더이상 누설전류가 증가하지 않도록 절연층 두께를 기존과 같이 그대로 두고, 대신 게이트 조절 전류값이 낮아도 전류 자극이 잘 전달이 될 수 있는 물질을 개발하게 되었는데, 이와 같은 물질이 ‘High-K’다.

Fin-FET

FET은 ‘Field Effect Transistor’의 약자로 반도체 트랜지스터를 작동시키는 원리라고만 이해하고 넘어가자

그림에서 보면, 소스 위에 찍힌 노란색 점들은 각각 그 트랜지스터에서 흐를 수 있는 면적을 의미하고 이는 흐를 수 있는 전류의 양과 비례한다. 구조적으로 왼쪽 평면 FET는 2차원적으로 평면에서 한 면으로만 전류가 흐르지만, 오른쪽 Fin-FET은 앞면, 뒷면, 그리고 적게나마 윗면까지 3차원적으로 입체적인 3개 면을 통해 훨씬 많은 양의 전류를 보낼 수 있다. 즉, 평면 FET는 종이의 한 면만 사용하는 반면, Fin-FET은 종이의 앞뒤면을 모두 쓰고 실제 종이에서는 가능하지 않지만 종이의 옆면까지도 사용하는 셈이다.

하지만 그림에서 보는 것처럼 Fin-FET이 실리콘 위에서 차지하는 면적은 오히려 적다. 결국, 또다시 Fin-FET 기술을 통해 그동안 반도체 집적도 개발을 주도해 왔던 전형적인 방법인, 트랜지스터 면적을 줄여 집적도를 높이는 것과 같은 효과를 가져올 수있다. 게다가 Fin-FET은 게이트가 누설전류 없이 좀더 효과적으로 전류의 흐름을 조절할 수 있어서 더욱 더 게이트 렝스를 감소시킬 수 있는 여지를 제공한다.

출처http://www.amkor.co.kr/archives/590

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반도체, 그 역사의 시작 – 반도체에 대한 이해와 개발의 역사

외부 자극을 이용해 흐름을 조절할 수 있는 장치를 우리는 ‘스위치’라고 하는데, 앞서 설명한 반도체의 성질이 스위치의 성질과 비슷하다. 반도체의 여러 가지 기능 중에 가장 중요한 것도 바로 스위치 기능이다. 흔히 우리가 이야기하는 디지털 값인 ‘1’ 또는 ‘0’이라는 것이 반도체의 스위치 기능에 의해 전기가 흐르면 ‘1(on)’, 흐르지 않으면 ‘0(off)’이라고 표현할 수 있다. 이와 같은 스위치를 보통 ‘트랜지스터’라고 하는데, 이 트랜지스터 1개를 ‘1비트(bit)’라 하고, 이 비트가 8개 모이면 ‘1바이트(byte)’라고 한다. 우리가 물건을 셀 때 물건마다 다른 단위가 있는 것처럼 반도체 스위치 트랜지스터 개수를 셀 때의 단위를 ‘바이트’라고 이해하면 된다. 

회사에서 일하다 보면 삼성, 인텔, TSMC라는 반도체 회사들의 이름을 듣게 된다. 이들이 생산하는 반도체들은 어떻게 다를까. 삼성에서는 신문 몇 년 치를 반도체 칩 하나에 모두 보관할 수 있는 몇 기가 램(RAM)을 만들었다고 하고, 인텔은 초당 연산 속도가 얼마인데 이는 1초 만에 무엇을 계산할 수 있는 속도라고 하면서 펜티엄 칩, 혹은 듀얼 코어 칩을 만들었다고 한다. 하나는 저장 용량을 광고하고 하나는 연산 속도를 광고하는데, 무엇이 다른 걸까.

우리는 흔히 반도체라고 하면 두 가지를 이야기한다. 저장이 주기능인 메모리 분야와 CPU와 같이 연산이 주기능인 로직(logic) 회로를 만드는 비메모리 분야다. 즉, 종이 매체로 비유하면 일기나 필기와 같은 기록을 위한 공책을 만드는 것이 메모리 분야고, 흥미 가득한 내용이 이미 인쇄된 책을 만드는 것이 비메모리 분야라고 이해를 하면 쉬울 듯하다. 당연히 똑같이 종이를 원료로 사용한다는 것은 같지만, 공책을 만들어 파는 것보다는 책을 만들어 파는 것이 더욱 이득이 높으므로 삼성도 이미 메모리 분야에서 세계 1위임에도 불구하고 꾸준히 비메모리 분야에 투자하면서 이 사업 분야에 더욱 집중하는 것이다.

사실 인텔도 처음에는 CPU뿐만 아니라 메모리를 생산했던 시절이 있었다. 삼성 덕분에 익숙해진 DRAM이란 메모리도 인텔이 최초로 만들었다. 하지만 일본 반도체 회사들이 메모리 반도체 시장에 진입함에 따라 경쟁이 치열해졌고 수익성 악화가 발생했다. 이에 따라 인텔이 1985년부터 과감하게 메모리 사업을 축소하거나 포기하면서 CPU와 같은 비메모리 분야에 전념하게 되었다. 그래서 1980년대 중후반에 386과 486칩이 나왔고, 곧이어 1990년대에 펜티엄 칩이 개발되었다. 이어 일본 메모리 반도체 회사들도 1990년대 들어 가장 늦게 반도체 시장에 뛰어든 우리나라의 삼성과 하이닉스의 추격에 그만 덜미를 잡히고 몰락의 길을 걸었다.

출처http://www.amkor.co.kr/archives/589

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반도체, 그리고 미래 – 실리콘 반도체의 한계와 그래핀

실리콘을 기반으로 트랜지스터 크기를 줄여 반도체의 성능을 높이는 방법은 결국 궁극에는 한계에 도달하기 마련이다. 그래서 과학자들은 실리콘이 아닌 다른 물질들을 연구하기 시작했다.

이처럼 얇은 두께의 흑연이라 할 수 있는 그래핀이 왜 주목을 받는 것일까? 지구 상에서 두 번째로 전기가 잘 통하는 금속인 그래핀은 구리보다 10배 이상 전기가 잘 통한다. 그래서 실리콘보다 전자 이동 속도가 100배 이상 빠르다. 게다가 다이아몬드보다 열 전도성이 2배 이상 높다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하지만, 두께가 매우 얇아 부러지지 않고 180도 휠 수 있으며 빛을 98% 통과시킬 정도로 거의 투명하다.

그래서 이 같은 성질들을 이용하면 휘어지는 화면이 가능해진다. 현재 우리나라에서는 LCD 제작 회사들이 그래핀에 더 많은 연구와 투자를 한다. 덕분에 우리나라는 세계에서 가장 많은 그래핀 기술 관련 원천 특허를 보유하고 있으며, 가장 앞선 기술을 보유하게 되었다. 근래 들어 구글 안경이나 갤럭시 기어와 같은 ‘입는 전자 제품(Wearable device)’이라는 말과 함께 ‘휘어지는 디스플레이(Display)’를 채용한 제품이 조만간 출시된다는 뉴스를 보기도 하는데, 이들 대부분이 그래핀을 이용한 제품들이라 보면 된다.

출처http://www.amkor.co.kr/archives/588

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반도체, 그리고 미래 – 양자 컴퓨터

양자의 이해하기 어려운 많은 현상 중에 양자 컴퓨터는 ‘중첩(또는 겹침, Quantum superposition)’ 현상과 ‘얽힘(Entanglement)’ 현상을 이용한다

양자 중첩 

첫 번째, ‘양자 중첩’이란 한 입자가 여러 곳에 동시에 존재할 수 있다는 것이다. 그 입자가 어느 곳에 어느 정도의 확률로 있을 거라고 짐작할 수는 있지만, 실제로는 그 어느 곳들에 그 확률만큼 동시에 존재한다는 것이다

양자 얽힘 

두 번째 ‘양자 얽힘’은 다행히도 양자 중첩 현상보다는 다소 이해가 쉽다. 드라마 <별에서 온 그대>를 떠올려보자. 도민준에게 빨간색과 파란색의 구슬이 있다. 도민준이 천송이의 눈을 가린 채 양손에 구슬을 각각 하나씩 쥐여준다. 그리고 천송이는 눈을 뜨고 오른손에 쥐어진 구슬을 보았는데 빨간색이었다. 그럼 왼손에 있는 구슬은 펴보지 않아도 파란색이 될 것이다. 이처럼 하나가 결정되면 관계가 얽힌 나머지도 저절로 결정되는 현상을 ‘양자 얽힘’이라고 한다. 다시, 도민준이 지구를 떠나 그의 별로 돌아가면서 사랑의 징표로 천송이에게 구슬을 하나 주었다. 도민준이 떠난 후 천송이가 자신의 구슬 색깔을 확인하는 순간, 도민준이 지구 밖 수백만 광년 멀리 떨어진 별로 가더라도 그가 가져간 나머지 구슬 색깔은 자동으로 결정된다. 만약에 이처럼 서로 관계가 얽힌 구슬이 두 개가 아니고 좀 더 많다면, 동시에 그만큼의 정보들이 순식간에 결정될 것이다.

출처 http://www.amkor.co.kr/archives/587

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반도체, 센서의 동작 원리

1970년대에 자동차 에어백이 개발되어 인명의 피해를 줄일 수 있게 되었습니다. 그 당시에는 차량의 충격을 감지하는 센서에 ‘피에조-전기 소자’를 이용했는데, 이 세라믹 소재의 센서는 압력을 받으면 전기신호가 발생하여 ‘압전(壓電) 소자’라고도 불렸습니다.

그 후 반도체 마이크로 가공 기술이 발전함에 따라 1990년대 말에는 100분의 1mm 두께의 실리콘을 가공해서 마이크로 부품을 만들 수 있게 되었고, 이를 이용해서 전기신호를 만들어 내는 ‘MEMS 디바이스’가 출현했습니다. 그중 하나가 ‘가속도 센서’이지요. 가속도 센서는 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 감지합니다. 가속도 센서의 가격이 낮아지게 되자 에어백 센서는 가속도 센서로 대체되었습니다.

가속도 센서의 동작 원리

가속도 센서는 그림에서 보는 것처럼 흰색으로 표시된 실리콘 옥사이드 테두리 안에 주황색으로 표시된 빗 모양으로 생긴 캐패시터 2개와 파란색으로 표시된 움직일 수 있는 전극으로 구성되어 있습니다. 전극은 관성에 따라 움직이고 전극의 끝 부분에 스프링이 있어 왕복하게 되지요. 그러면 생선가시처럼 길게 달린 전극과 캐패시터 사이의 거리가 가까워졌다가 멀어졌다 반복하게 됩니다. 이때, 위쪽에 있는 캐패시터에서 발생한 캐패시턴스와 아래쪽에 있는 캐패시터에서 발생한 캐패시턴스 사이에 차이가 발생합니다. 그러면 그 차이를 시그널 프로세서 칩에서 아날로그 신호로 변환시켜 주는 것입니다. 

그런데 가속도 센서는 한 가지 단점이 있습니다. 회전운동을 감지하는 능력이 없지요. 관성을 감지하는 것으로는 회전운동을 감지할 수 없기 때문입니다. 회전운동을 감지하기 위해서 항상 반대로 움직이는 전극을 한 벌 더 만들어 두고, ‘코리올리스 효과(Coriolis effect)’에 의한 힘을 감지하도록 고안했습니다. 이것을 ‘자이로 센서’라고 합니다. 이번에는 이 자이로 센서가 어떻게 동작하는지를 살펴보겠습니다.

* 코리올리 효과(Coriolis effect) : 전향력 또는 코리올리 힘(Coriolis force)라고도 하며, 회전하는 계에서 느껴지는 관성력으로, 1835년 프랑스의 과학자 코리올리가 처음 설명해 냈다

자이로 센서의 동작 원리

우선 두 개의 전극 가운데는 힌지(접히는 부분)를 두어서 전극이 움직일 때 항상 서로 반대 방향으로 움직이게 만들어 두었습니다. 시그널 프로세서는 각각의 전극이 움직임으로 인해서 생기는 캐패시턴스를 항상 비교합니다. 캐패시턴스에 차이가 없는 경우에는 회전운동이 없고 가속도만 있는 것으로 인지하게 되지요.

회전운동이 발생하는 경우는 전극은 빨간색 방향으로 움직이지만, 파란색 화살표 방향으로도 코리올리스에 의한 힘이 발생하게 됩니다. 회전하는 속도에 비례해서 전극 사이에 캐패시턴스의 차이가 발생하게 되니까 이것을 감지하여 회전을 감지하게 됩니다. 

자력 센서의 동작 원리

자력 센서는 ‘로렌츠 힘(Lorentz force)’을 이용한 것이지요. 아래 그림에서 z 방향에 자력이 있을 때 x 방향의 스프링에 전류를 흐르게 하면 y 방향으로 로렌츠 힘 FB가 생기게 됩니다. 결국, 자력에 의해 발생하는 로렌츠 힘은 전극을 움직이게 하고, 전극의 움직임은 캐패시턴스 C1과 캐패시턴스 C2를 달라지게 합니다. 자력이 세지면 로렌츠 힘도 커지게 되지요.

* 로런츠 힘(Lorentz force) : 하전입자가 자기장 속에서 받는 힘을 말한다. 이 힘은 운동하는 전하만 받고, 정자기장에서는 자기장이 전하의 운동 방향에만 영향을 미친다. 이 힘을 표현한 식을 이용하면 임의의 전자기장 내의 힘의 작용 전체를 나타낼 수 있다.

지문인식센서의 동작 원리

접촉했을 때 손가락과 감지전극 사이에 정전용량이 생성됩니다. 지문을 분간할 수 있을 만큼 감지전극을 작게 만들고 바둑판처럼 촘촘하게 배치해 두면, 골과 튀어나온 부분의 거리에 따른 정전용량의 차이를 인식할 수 있습니다. Authetec에서 개발한 ‘지문인식 센서’는 정전용량에 RF 기술을 덧붙여서 지문표면의 각질 아래에 보호된 진피층의 지문을 감지할 수 있게 만들었습니다. 그래서 지문표면이 말라있거나, 닳았거나, 각질이 두껍거나, 기름에 묻었거나 지저분하더라도 지문을 인식할 수 있다고 하네요.

출처 http://www.amkor.co.kr/archives/579

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트랜지스터 ( trans+resistror ) 

전자신호및 전력을 증폭하거나 스위칭 하는 기기

종류 BJT / FET 

BJT (Bipolar Junction Transistor) - 베이스 콜렉터 에미터로 이루어짐

FET (Field Effect Transistor) - 게이트 드레인 소스로 이루어짐

출처 https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8A%B8%EB%9E%9C%EC%A7%80%EC%8A%A4%ED%84%B0

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