소개글
"트랜지스터 MOSFET의 작동원리"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. CMOS 이미지 센서의 원리
1.2. 트랜지스터의 중요성
1.3. 연구 동기 및 목적
2. 트랜지스터의 이해
2.1. 트랜지스터의 정의 및 구조
2.2. 웨이퍼의 제조 공정
2.3. 다이오드와 트랜지스터의 비교
3. 접합형 트랜지스터(BJT)
3.1. BJT의 구조 및 동작 원리
3.2. BJT의 동작 모드
3.3. BJT의 전류 증폭 및 스위칭 특성
4. 전계효과 트랜지스터(FET)
4.1. FET의 개념 및 구조
4.2. MOSFET의 동작 원리
4.3. MOSFET과 BJT의 비교
5. 상보형 MOSFET(CMOS)
5.1. CMOS의 구조 및 특징
5.2. CMOS의 제작 공정
5.3. CMOS의 응용 분야
6. 결론
6.1. 연구 결과 요약
6.2. 트랜지스터 기술의 발전 전망
6.3. CMOS 이미지 센서의 미래
7. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. CMOS 이미지 센서의 원리
CMOS 이미지 센서는 CMOS를 이용한 고체 촬상 소자이다. CMOS는 PMOS와 NMOS 트랜지스터를 가지고 구현하며, 이를 통해 저 전력을 실현할 수 있다. 따라서 CIS는 이러한 CMOS 기술을 이용한 화상 정보 감지기이다. CIS는 CMOS를 사용함으로써 수율이 매우 높고, 공정 개선이 용이하며 이미 다른 제품들에도 같이 사용되기 때문에 규모의 경제를 실현할 수 있다는 장점이 있다. 또한 CMOS의 특징 중 하나였던 전력 소모가 매우 작다는 점 또한 CIS의 장점이 된다.
1.2. 트랜지스터의 중요성
트랜지스터는 현대 전자공학의 핵심을 이루는 소자로, 수많은 전자기기의 작동 원리와 구조를 결정한다. 트랜지스터는 증폭과 스위칭의 기능을 수행하며, 이를 통해 전자기기의 신호 처리와 제어가 가능하다. 특히 CMOS 이미지 센서에서는 각 화소에 있는 트랜지스터를 통해 전하를 읽어 들일 수 있어, 이미지 센서의 능동적 동작을 실현하고 있다. 또한 트랜지스터의 초소형화와 고집적화는 전자기기의 소형화, 고성능화를 가능하게 하였다. 앞으로도 트랜지스터 기술의 발전은 전자공학 전반에 걸쳐 큰 변화와 혁신을 가져올 것으로 기대된다.
1.3. 연구 동기 및 목적
저는 물리학1에서 CCD(Charge Coupled Device)에 대한 기초적인 지식을 배웠지만, CIS(CMOS Image Sensor)에 대해서는 KISTI(한국과학기술정보연구원)의 논문을 통해 CCD와 달리 능동적이며 각 화소에 있는 트랜지스터를 통해 전하를 읽어 들일 수 있다는 것을 알게 되었다. 이에 CIS의 특징인 CMOS에 대해 더 깊이 있게 조사하고자 하였다. 또한 1학년 때 "한국 반도체 산업 강연"에 참여하면서 당시 물리와 반도체에 대한 이해가 부족했었던 안타까움이 있었기에, 이번 기회에 MOSFET뿐만 아니라 다양한 트랜지스터에 대해 공부해보고자 한다. 더불어 MOSFET을 최초로 개발했던 강대원 박사님에 대해 알게 되어 그의 연구를 중심으로 보고서를 작성하고자 한다. 이처럼 단순히 "트랜지스터란 ~이다."라고 수긍하는 것이 아닌, 트랜지스터에 대해 차근차근 공부해보고자 한다.
2. 트랜지스터의 이해
2.1. 트랜지스터의 정의 및 구조
트랜지스터는 다이오드와 비슷한 형태를 가지고 있다는 것에 대해, n형 반도체와 p형 반도체로 이루어져 있으며 웨이퍼에 이루어지는 도핑 기술을 통해 제조되는 것이다. 웨이퍼는 실리콘이나 갈륨 아세나이드와 같은 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 자른 원판을 의미하며, 총 3단계의 제조 공정을 거쳐 제작된다. 첫째, 모래에서 추출한 실리콘을 고순도화하는 과정인 잉곳 만들기이며, 둘째, 다이아몬드 톱을 이용하여 잉곳을 균일한 두께의 웨이퍼로 자르는 웨이퍼 절단 공정이다. 셋째, 연마액과 연마장비를 이용하여 웨이퍼 표면을 거울처럼 매끄럽게 만드는 웨이퍼 표면 연마 과정이다. 이렇게 제조된 웨이퍼에 n형 도핑과 p형 도핑을 통해 n형 반도체와 p형 반도체가 만들어지게 된다.
2.2. 웨이퍼의 제조 공정
웨이퍼의 제조 공정은 다음과 같다.
실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 반도체 물질을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 썰어 만든 것이 웨이퍼이다. 웨이퍼의 제조 공정은 총 3단계로 이루어진다.
첫째, 잉곳(Ingot) 만들기이다. 모래에서 추출한 실리콘을 순도를 높이는 정제 과정을 거쳐 실리콘 용액을 만들고 결정을 성장시켜 실리콘 기둥인 잉곳을 제조한다. 반도체에는 초고순도의 잉곳을 사용한다.
둘째, 웨이퍼 슬라이싱(Wafer Slicing)이다. 원형의 잉곳을 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께의 원판형 웨이퍼로 자른다. 잉곳의 지름이 웨이퍼의 크기를 결정하며, 6인치, 8인치, 12인치 등의 웨이퍼가 제조된다. 웨이퍼의 크기와 두께는 점차 커지고 얇아지는 추세이다.
셋째, 웨이퍼 연마(Lapping&Polishing)이다. 절단된 웨이퍼는 표면에 결함이 있어 회로의 정밀도에 영향을 미치므로, 연마액과 연마 장비를 이용해 표면을 매끄럽게 가공한다. 이를 통해 거울과 같이 평활한 웨이퍼를 제조할 수 있다.
이와 같은 과정을 거쳐 제조된 웨이퍼를 베어 웨이퍼(Bare wafer)라고 하며, 여기에 도핑 공정을 거쳐 n형 반도체와 p형 반도체가 만들어진다.
2.3. 다이오드와 트랜지스터의 비교
다이오드는 p-n 접합으로 이루어져 있는 반면, 트랜지스터는 3극관으로 구성되어 있다. 다이오드는 단방향 전류 흐름이 가능한 소자이지만, 트랜지스터는 전류 증폭이 가능한 소자이다. 또한 다이오드는 스위칭 기능이 약하지만, 트랜지스터는 강력한 스위칭 기능을 가지고 있다. 트랜지스터는 다이오드에 비해 더 많은 제어 기능을 가지고 있어 증폭기, 스위치, 논리 회로 등 다양한 용도로 사용될 수 있다. 특히 트랜지스터는 입력 신호의 제어를 통해 큰 출력 신호를 얻을 수 있어 증폭기로 활용되며, 스위치로도 사용될 수 있다. 이처럼 트랜지스터는 다이오드에 비해 훨씬 더 다양한 기능을 가지고 있다. 따라서 트랜지스터는 다이오드보다 발전된 반도체 소자라고 볼 수 있다.
3. 접합형 트랜지스터(BJT)
3.1. BJT의 구조 및 동작 원리
BJT는 p-n-p접합과 n-p-n접합으로 나뉜다. BJT는 총 3가지 단자로 구성되어 있다. 이미터(E)는 전하운반자, 즉 전자 또는 정공을 내보내는 역할을 한다. 컬렉터(C)는 이미터에서 나온 전하운반자를 모으는 역할을 한다. 베이스(B)는 기초가 되는 역할을 한다. n-p-n접합의 경우 2개의 n형 반도체 사이에 p형 반도체가 있는 형태이다. 이미터와 컬렉터의 도핑 수준을 다르게 하는 이유는 이미터-베이스, 베이스-컬렉터 사이의 breakdown voltage를 달리하여 전류의 방향을 통제하기 위해서이다...
참고 자료
한국과학기술정보연구원. 2008. “이미지센서 (CCD, CMOS)”, MCT-NET(소재부품 종합정보망). (2021. 5. 8 방문). https://www.itfind.or.kr/COMIN/file1174-%EC%9D%B4%EB%AF%B8%EC%A7%80%EC%84%BC%EC%84%9C.pdf
Lesics. 2016. “Transistors, How do they work?”, Lesics. (2021. 5. 9 방문). https://www.youtube.com/watch?v=7ukDKVHnac4
삼성반도체이야기. 2017. “[반도체 8대 공정] 1탄, ‘웨이퍼’란 무엇일까요?”, 삼성반도체이야기. (2021. 5. 9 방문). https://www.samsungsemiconstory.com/1458
Bennyziio. 2019. “트랜지스터(transistor) - NPN, PNP형 트랜지스터”, 베니지오 IT 월드. (2021. 5. 12 방문). https://bennyziiolab.tistory.com/19
덩파리. 2011. “BJT (Bipolar Junction Transistor)”, 류정호의 블로그. (2021. 5. 23 방문). https://m.blog.naver.com/PostView.naver?blogId=a980827&logNo=20122249408&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
K. 2012. “Pspice study - 07 시뮬레이션 - DC sweep”, kwon’s warehouse. (2021. 5. 23 방문). http://kwonynwa.blogspot.com/2012/03/pspice-study-07-dc-sweep.html
히언. 2014. “트랜지스터-증폭기와 스위치로의 작동개념”, 임베디드 레시피. (2021. 5. 10 방문). http://recipes.egloos.com/5832185
빵구탄. 2017. “BJT(Bipolar Junction Transistor)”, 一切唯心造. (2021. 5. 12 방문). https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=bhs2167&logNo=220937371206&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
엠에스리. 2016. “트랜지스터-Transistor”, MECHATRONICS. (2021. 5. 15 방문). https://blog.naver.com/lagrange0115/220697224724
초록E. 2019. “【회로이론】 8강. 트랜지스터”, 정빈이의 공부방. (2021. 5, 15 방문). https://nate9389.tistory.com/1093
나무위키. 2021. “트랜지스터”, 나무위키. (2021. 5. 15 방문). https://namu.wiki/w/%ED%8A%B8%EB%9E%9C%EC%A7%80%EC%8A%A4%ED%84%B0
백곰. 2009. “제 3 편 시퀀스(Sequence)”, 고흥 백옥. (2021. 5. 15 방문). https://blog.daum.net/eseobang/8848127
미소사. 2019. “1. 전계효과 트랜지스터 ( FET : Field Effect Transistor )란 무엇인가?”, 사랑.소망.믿음. (2021. 5. 16 방문). https://paval777.tistory.com/3
미소사. 2019. “전계효과 트랜지스터 (FET: Field Effect Transistor): 단자, 소자별 분류 와 물리적 구조”, 사랑.소망.믿음. (2021. 5. 16 방문). https://paval777.tistory.com/4?category=855388
한국전력. 2015. “전계와 자계의 개념, 이번에 정리해드립니다”, 한국전력 블로그 굿모닝 KEPCO!. (2021. 5. 16. 방문). https://blog.kepco.co.kr/459
Tolany. 2020. “[반도체] 1. 반도체의 기초 (7) 트랜지스터, 접합형, 전계형(FET)”, DB_기억보다는 기록을. (2021. 5. 30. 방문). https://m.blog.naver.com/dlwnsqud123/222031182214
embeddedjune. 2020. “[컴공이 설명하는 반도체공정] 2. CMOS 구조와 전체 반도체 공정”, EmbeddedJune의 Festival. (2021. 5. 30. 방문). https://velog.io/@embeddedjune/%EC%BB%B4%EA%B3%B5%EC%9D%B4-%EC%84%A4%EB%AA%85%ED%95%98%EB%8A%94-%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4%EA%B3%B5%EC%A0%95-2.-CMOS-%EA%B5%AC%EC%A1%B0%EC%99%80-%EC%A0%84%EC%B2%B4-%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4-%EA%B3%B5%EC%A0%95
녹챠 KnockCha. 2019. “1.3 MOS Transistor_모스펫(MOSFET) 기본! Silicon에서 MOSFET이 되기까지”. (2021. 6. 5 방문). https://knockcha.tistory.com/6
아메리카노. 2012. “MOSFET의 동작원리(1), Depletion type”, 반도체와 아메리카노. (2021. 6. 7. 방문). https://m.blog.naver.com/lws8661/10152216503
진종문. 2017. “[반도체 특강] Channel, MOSFET라는 세상의 다리”, SKhynix NEWSROOM. (2021. 6. 7. 방문). https://news.skhynix.co.kr/1472
진종문. 2018. “[반도체 특강] FET 게이트 단자의 변신”, SKhynix NEWSROOM. (2021. 6. 7. 방문). https://news.skhynix.co.kr/1680
열심히 취업한 공대누나. 2020. “[CMOS]란?”, 공대누나의 일상과 전자공학. (2021. 6. 14. 방문). https://gdnn.tistory.com/89
센서로세계로미래로. 2015. “CMOS 센서의 원리”, 사물인터넷의 핵심 – 스마트센서로 정복하다. (2021. 6. 14. 방문). https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=iotsensor&logNo=220298748240
김지만, 정진우, 권보민, 박주홍, 박용수, 이제원, 송한정, “CMOS 이미지센서 SPICE 회로 해석을 위한 포토다이오드 및 픽셀 모델링”, 전자공학회논문지-IE 46(4), 2009. 8-15.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11