시리즈들을 통해서 재학중에 배우면서 공부하던 반도체(Semiconductor)에 대해 정리도 해보고 소개를 해드리려고 합니다. 조금 어려운 내용이 있을 수 있지만 상식? 선에서 가볍게 봐주시면 흥미로울 수도? 있습니다.. ㅎㅎ
1. 소개
2. 반도체의 발명
3. 반도체 소자
1. 소개
여러분들이 자주 사용하시는 컴퓨터와 스마트폰에는 무수히 많은 부품들이 들어가 있습니다. RAM과 CPU 등을 포함해 디스플레이에 쓰이는 LED까지 모든 곳에 반도체가 숨어져 있죠. 이 뿐만이 아닙니다. 컴퓨터와 스마트폰을 넘어 우리 주변에는 반도체가 적용되어 있는 곳이 알게 모르게 정말 많습니다. 그만큼 반도체는 현재 첨단산업에서 가장 핵심적인 물질 중 하나로써 없어서는 안 될 물질이죠.
전기가 발견된 이래로 전자공학의 눈부신 발전이 이루어지고 있습니다. 반도체는 그 전자공학의 집합체라고 할 수 있는데요. 전자공학의 발전은 반도체의 발전이라고 해도 과언이 아닙니다. 반도체의 발전에 따라 세상이 바뀌고 있다는 것이죠.
2. 반도체의 발명
초기의 반도체의 핵심적인 역할은 전기신호를 증폭시키는 것이었습니다. 전기가 발견되고 전기를 이용한 응용분야가 많아짐에 따라 전기신호를 증폭시키는 것이 그 당시에는 중요한 일이었습니다.
최초의 반도체 소자는 다이오드(2 극관)로 만들어진 진공관(vacuum tube)이었습니다. 진공관은 대표적인 다이오드 소자로 정류 작용을 통해 전기신호를 증폭하는 역할을 했습니다. 하지만 진공관은 치명적인 단점을 가지고 있었습니다. 진공관은 유리관이기 때문에 부피가 컸고 전자빔 발생을 위한 필라멘트의 내구성이 좋지 않았다는 것입니다. 그에 따라 새로운 증폭기의 개발이 필요하게 되었습니다.
새로운 증폭기의 개발과 이러한 진공관의 단점을 해결하기 위해 1948년, 벨 연구소의 윌리엄 쇼클리(William Schockley, 1910~1989), 존 바딘(John Bardeen, 1908~1991), 월터 브래튼(Walter Brattain, 1902~1987)은 반도체를 이용한 트랜지스터를 개발하게 됩니다. 이들이 만든 트랜지스터는 쉽게 말해 다이오드에 전극이 하나 더 붙은 형태로 스위치의 형태처럼 전류를 조절함으로써 전기신호를 제어하는 원리입니다. 당연하게도 이들은 이 업적으로 1956년 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다.
그리고 1958년, Texas Instrument의 기술자 잭 킬비(Jack Kilby, 1923~2005)는 트랜지스터, 저항, 커패시터를 하나의 칩 속에 집어넣어 새로운 반도체 소자를 발명하게 됩니다. 바로, 집적회로(IC)입니다. 이후 기술이 발전함에 따라 SSI(Small Scale Integration), MSI(Medium), VLSI(Very Large), ULSI(Ultra) 순서로 하나의 반도체 안에 들어가는 회로의 집적도가 늘어나게 됩니다.
3. 반도체 소자
반도체 소자는 크게 다이오드와 트랜지스터로 구분이 됩니다. 다이오드에는 주로 정류기와 광 소자 등이 있고, 트랜지스터에는 BJT나 MOSFET 등이 있습니다.
- 다이오드 (diode)
다이오드는 한쪽 방향으로 전류가 흐르도록 제어하는 장치로 두 개의 극을 가지고 있습니다. 주로 정류 작용과 광학적 특성을 보여줍니다.
정류 작용을 하는 다이오드에는 정류 다이오드, 쇼트키 다이오드 등이 있고, 광학적 특성을 가지는 다이오드에는 발광다이오드(LED), 레이저, 포토다이오드 등이 있습니다.
- 트랜지스터 (transistor)
트랜지스터는 다이오드와 다르게 세 개 이상의 전극을 가지고 있습니다. 주로 신호와 전력의 증폭, 스위칭에 사용이 됩니다.
트랜지스터는 앞서 쇼클리, 바딘, 브래튼이 발명을 하였습니다. 이들이 발명한 트랜지스터는 접합형 트랜지스터로 BJT(Bipolar Junction Transister)라고 불립니다. BJT는 현재 집적회로에서는 잘 쓰이지 않는 소자이지만 증폭기나 스위칭이 필요한 소자에서 쓰이고 있습니다.
전계효과 트랜지스터(Field Effect Transister)는 1925년 율리우스 릴리엔 필드(Julius Lilienfield)가 발명을 했습니다. BJT보다 발명이 빨랐지만 그 당시에는 이론만 가능하고 실제로 동작하는 장치를 구성하지 못했었습니다. 이때 릴리엔 필드가 발명한 FET는 현대의 JFET(Junction FET)로 발전을 합니다.
또 다른 FET의 종류로 현대에 가장 많이 쓰이고 있는 트랜지스터는 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터로 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)라고 불립니다. MOSFET은 한국계 강대원 박사(1931~1992)가 발명을 했습니다. 높은 집적도와 낮은 전력 소모 등의 장점으로 CPU나 RAM 등 현재 최첨단 기술에 쓰이는 반도체에는 주로 MOSFET이 쓰이고 있습니다.
이상으로 반도체에 대해 간단히 소개를 해드렸습니다. 앞으로 반도체 포스팅 시리즈를 통해 반도체 소자의 발전과 응용분야 등에 대해 자세히 살펴보도록 하겠습니다.
감사합니다.
*본 포스팅은 ‘NEAMEN의 반도체 물성과 소자’를 참고하여 제작하였습니다.
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