[반도체 기초] 반도체의 발전과 무어의 법칙

 

 

목차

 

 

 

반도체의 분류

반도체는 사전적 의미로 도체와 부도체 사이의 특성을 가지는 물질을 의미합니다. 이런 반도체는 우리가 빛이나 열 또는 불순물을 통해서 전기전도도를 조절할 수 있기 때문에 현대 기술에서 중요한 역할을 합니다.

 

실제 대부분의 사람들은 반도체라고 하면 반도체 소자를 이야기합니다. 반도체는 메모리 반도체와 비메모리 반도체로 나눌 수 있습니다. 

 

메모리 반도체는 현재 대한민국이 전 세계에서 가장 잘하고 있는 분야입니다. 메모리 반도체는 컴퓨터에 주 메모리로 사용되는 DRAM (Dynamic Random Access Memory)과 대용량의 정보를 저장하는 플래시메모리 (flash memory)가 있습니다. 

 

비메모리 반도체는 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 CPU, 스마트폰이나 스마트 패드에 사용되는 AP (Application Processor) 등이 있고, 우리가 그래픽카드라고 부르는, 최근 인공지능으로 많이 사용되는 GPU (Graphic Processor Unit)도 비메모리 반도체에 해당합니다. 

 

반도체에서 가장 중요한 것은 불순물 첨가를 통해서 반도체 성질을 조절할 수 있다는 것입니다. 반도체에서 불순물은 반도체 특성을 변화시키기 위해서 인위적으로 넣어주는 물질을 말합니다. 

 

예를들어, 실리콘 반도체 결정은 실리콘 원자들이 모여서 만들어지는데, 실리콘은 최외각 전자가 4개 있는 원소이고, 실리콘 원자끼리의 공유 결합으로 인해 실리콘이 안정한 특성을 가지고 있습니다. 실리콘의 전기전도도를 제어하기 위해 불순물을 넣어주게 됩니다.

 

실리콘에 최외각 전자가 5개 있는 15족 원소를 주입하면 실리콘 격자 자리에 들어가서 하나의 전자가 남게 됩니다. 그래서 이런 하나의 전자가 실리콘의 전기전도도에 영향을 주고 이를 N형 반도체라고 이야기합니다. 

 

반면에 실리콘 격자 자리에 최외각 전자가 3개 있는 13족 원소를 주입하게 되면, 전자가 하나 부족하게 됩니다. 우리는 부족한 전자를 정공이라고 부르며, 이러한 정공이 전기전도도에 영향을 줍니다. 이러한 반도체를 P형 반도체라고 합니다.

 

[참고] 2023.07.25 - [Study/공학] - [화학] 주기율표 - 구성과 원소의 특징

 

우리가 이런 불순물 주입을 통해서 반도체의 전기전도도를 변화시킬 수 있습니다. 불순물 주입을 통해서 반도체의 비저항값을 약 10,000 Ohm/cm 부터 0.0001 Ohm/cm까지 약 1억 배 정도로 변화시킬 수 있습니다. 

 

 

 

반도체 개발의 역사

반도체의 역사는 트랜지스터의 개발부터 시작됩니다. 

트랜지스터는 전기수위치나 신호의 증폭을 위해 사용되는 반도체 기본 구성 요소로 모든 반도체 소자의 가장 기본이되는 역할을 합니다.

 

최초의 트랜지스터는 저마늄 (Germanium)을 사용하였지만 안정성이 많이 부족했습니다. 1954년 실리콘을 기반으로 한 트랜지스터가 세계최초로 개발되어 트랜지스터의 성능과 안정성이 크게 향상되어 트랜지스터의 발전속도와 보급속도가 크게 증가되었습니다.

 

실리콘은 지표면의 27.7%를 차지하는 산소 다음으로 지구에 많이 존재하는 원소입니다. 실리콘은 아주 싼 가격으로 원료를 구할 수 있습니다. 실리콘을 만들기 위해서는 모래에서 원료를 추출할 수 있는데, 모래를 여러 번의 정제과정을 통해 단결정 (single crystal) 실리콘 잉곳을 만들고, 그 잉곳을 슬라이싱 (slicing)하여 실리콘 웨이퍼를 만들 수 있습니다.

 

실리콘 잉곳 공정

2023.07.27 - [Study/공학] - [반도체 기초] 반도체란 무엇인가

 

 

그다음으로 중요한 것이 반도체 집적화입니다. 집적화는 반도체 소자들을 서로 연결하여 새로운 소자를 만들어 내는 것을 말합니다. 

 

1958년 텍사스 인스트루먼트 (Texas Instrument)라는 회사에서 잭 킬비 (Jack Kilby)라는 사람이 세계 최초로 집적화 회로를 개발하였습니다. 잭 킬비는 집적기술 개발로 노벨 물리학상을 받았습니다.

 

1959년 페어차일드사 (Fairchild)의 로버트 노이스 (Robert Noyce)라는 사람이 집적회로 관련 특허를 출원하였지만 안타깝게도 일찍 사망하셔서 노벨상을 수상하지는 못했습니다.

 

반도체 집적화 기술의 등장으로 반도체를 대량 생산할 수 있게 되었습니다. 

 

그다음 반도체의 혁신은 금속 산화막 반도체 트랜지스터의 개발입니다. 이 트랜지스터는 1960년 강대원 박사님에 의해 발명되었습니다. 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터라고 불리는데 Metal oxide semiconductor field effect transistor라고 해서 우리가 주로 MOSFET이라고 사용하고 있습니다. 

 

MOSFET은 실리콘 표면에 산화막을 형성시켜 최초로 트랜지스터를 만들었고 현재와 같은 IC칩 구현의 시초가 되었습니다.

 

MOSFET 구조

 

 

 

무어의 법칙 (Moore's law)

반도체에서 가장 중요한 법칙 중에 하나가 무어의 법칙입니다. 1965년 인텔의 공동 창립자인 고든 무어 (Gordon Moore)라는 사람이 발표한 법칙입니다.

 

무어의 법칙이란 마이크로 칩의 집적화 정도가 꾸준하게 증가하며, 집적도는 2년마다 약 2배로 늘어날 것이라는 예측입니다.

 

여러 반도체 업체들이 무어의 법칙을 지키기 위해서 노력하였고, 이는 반도체 산업이 급격하게 발전할 수 있는 계기가 되었습니다. 

 

무어의 법칙은 1970년부터 2020년까지 거의 50년간 계속 지켜져 왔습니다. 무어의 법칙은 왜 중요할까요?

 

동일한 크기의 실리콘 웨이퍼에 칩 크기가 줄어든다면 많은 개수의 반도체 소자를 팔 수 있습니다.

예를 들어 기존에는 실리콘 웨이퍼에 칩을 5개 만들 수 있었는데, 칩의 사이즈가 절반으로 줄어들게 되면, 한 웨이퍼에서 만들 수 있는 칩 개수가 10개로 증가하게 됩니다. 따라서 2배로 많은 개수의 반도체 소자를 생산하고 판매할 수 있게 됩니다.

 

무어의 법칙

[출처] https://raw.githubusercontent.com/karlrupp/microprocessor-trend-data/master/48yrs/48-years-processor-trend.png

 

 

 

메모리 소자의 개발

휘발성 메모리 소자의 대표적인 소자는 DRAM입니다. DRAM은 1966년 IBM 연구소의 로버트 데나드 (Rober Denard) 박사가 발명하였습니다.

 

비휘발성 메모리의 대표적인 소자는 플래시 메모리로 도시바 (Toshiba)라는 회사의 후지오 마쓰오카 (Fujio Masuoka) 박사가 낸드 (NAND) 플래시 구조를 발명하였고, 인텔 (intel)의 엘리 하라리 (Eli Harari) 박사에 의해 1980년 대에 노아 (NOR) 플래시 구조가 발명되었습니다.

 

이처럼 DRAM과 플래시 메모리의 개발로 컴퓨터 및 다양한 전자 산업이 발전한 계기가 되었습니다. 

 

 

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