본문내용
1. 반도체 기초
1.1. 반도체 정의
반도체는 전기 전도도에 따라 도체, 부도체, 반도체로 구분할 수 있다. 반도체는 전기가 잘 통하는 도체와 전기가 전혀 통하지 않는 부도체의 중간 정도의 전기 전도도를 가지는 물질을 말한다. 반도체는 일반적으로 금속에 비해 전기 전도도가 낮지만, 외부 환경에 따라 전기 전도도를 인위적으로 조절할 수 있는 특성이 있다. 이러한 반도체의 특성을 이용하여 다양한 전자 소자를 만들어낼 수 있다. 따라서 반도체는 전자 기기 및 정보 통신 기술의 핵심 재료로 활용되고 있다.
1.2. 전도체, 부도체, 반도체
전도체, 부도체, 반도체는 물질의 전기 전도도에 따라 구분되는 개념이다.
전도체는 전기가 잘 통하는 물질로, 금속과 같이 전기 저항이 낮은 것이 특징이다. 전자가 자유롭게 이동할 수 있어 전류가 쉽게 흐르는 물질이다. 구리, 알루미늄, 은 등이 대표적인 전도체이다.
부도체는 전기가 거의 통하지 않는 물질로, 유리와 같이 전기 저항이 매우 높다. 전자가 이동할 수 없어 전류가 흐르기 어려운 물질이다. 다이아몬드, 고무, 플라스틱 등이 대표적인 부도체이다.
반도체는 전도체와 부도체의 중간적인 성질을 가진 물질이다. 순수한 반도체는 전기가 잘 통하지 않지만, 불순물을 첨가하거나 외부 조건을 변화시키면 전기 전도도를 조절할 수 있다. 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)이 대표적인 단원소 반도체이며, GaAs 등이 대표적인 화합물 반도체이다.
반도체는 불순물 도핑을 통해 전자의 흐름을 제어할 수 있어 전자 소자 제작에 활용된다. 전자와 정공이라는 두 종류의 캐리어가 존재하며, 이들의 농도와 이동 특성에 따라 반도체의 전기적 성질이 결정된다. 반도체 소자에는 다이오드, 트랜지스터, 집적회로 등이 포함된다.
즉, 전도체, 부도체, 반도체는 물질의 전기 전도도에 따라 구분되는 개념으로, 반도체는 전기적 성질을 조절할 수 있어 전자 소자 제작에 활용되는 중요한 물질이다.""
1.3. 단원소 반도체와 화합물 반도체
단원소 반도체와 화합물 반도체는 각각 고유한 장단점을 가지고 있다. 단원소 반도체인 실리콘(Si)은 자연계에서 가장 풍부한 물질 중 하나이며, 공정 기술이 가장 발달해 있어 제조 및 가공이 용이하다는 장점이 있다. 또한 실리콘 산화막의 특성이 우수하여 소자 제작에 적합하다. 그에 반해 화합물 반도체인 갈륨비소(GaAs)는 전자 이동도가 실리콘보다 높아 고주파 특성이 우수하지만, 제조 공정이 복잡하고 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 화합물 반도체는 단일 원소의 단원소 반도체에 비해 다양한 조합이 가능하여 특성을 보다 자유롭게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 실리콘과 갈륨비소를 대표적인 예로 들 수 있으며, 이외에도 게르마늄(Ge), 인화갈륨(InP), 질화갈륨(GaN) 등 다양한 화합물 반도체가 존재한다. 이러한 단원소 및 화합물 반도체는 반도체 소자 제작에 널리 활용되고 있다.
1.4. 비저항과 불순물 도핑
비저항과 불순물 도핑은 반도체 소자의 성능을 결정하는 매우 중요한 요소이다.
비저항은 물질이 전류의 흐름에 얼마나 세게 맞서는지를 측정한 물리량이다. 일반적으로 도체는 비저항이 낮고, 부도체는 비저항이 높으며, 반도체는 전류가 잘 흐르는 정도가 도체와 부도체의 중간 정도이다. 실리콘(Si)과 같은 반도체 물질은 원래 비저항이 높아 전기가 잘 통하지 않는다.
따라서 반도체 소자의 성능을 향상시키기 위해서는 반도체 내부에 불순물을 주입하여 비저항을 낮추는 과정이 필요하다. 이 과정을 불순물 도핑이라고 한다.
불순물 도핑은 순수한 반도체 물질에 의도적으로 다른 원소를 소량 첨가하여 반도체의 전기적 특성을 조절하는 기술이다. 예를 들어 실리콘에 5족 원소인 인(P)이나 비소(As)를 주입하면 전자가 많은 n형 반도체가 되고, 3족 원소인 붕소(B)를 주입하면 정공이 많은 p형 반도체가 된다.
n형 반도체는 다수 캐리어가 전자이고 소수 캐리어가 정공인 반도체이며, p형 반도체는 다수 캐리어가 정공이고 소수 캐리어가 전자인 반도체이다. 이러한 n형과 p형 반도체를 접합하면 PN 접합 다이오드와 같은 중요한 반도체 소자를 만들 수 있다.
불순물 도핑을 통해 반도체의 전기적 특성을 조절할 수 있기 때문에, 이는 반도체 소자 제작에 있어 필수적인 공정이라고 할 수 있다. 불순물 농도를 조절하여 원하는 특성의 반도체를 구현할 수 있으며, 이를 통해 고성능 반도체 소자 개발이 가능해진다.
1.5. 전하와 캐리어
전하(Charge)는 양성 또는 음성의 극성을 띠는 입자를 의미한다. 전하의 단위는 쿨롱(C)이며, 시간당 이동한 전하량이 전류(A)가 된다. 즉, 전하는 전류의 근원이 되는 것이다.
반도체 내부에는 두 종류의 전하 운반자, 즉 캐리어(Carrier)가 존재한다. 하나는 음전하를 가진 전자(Electron)이고, 다른 하나는 양전하를 가진 정공(Hole)이다. 전자는 음(-)전압 방향으로 이동하고, 정공은 양(+)전압 방향으로 이동한다.
진성 반도체에서는 열 에너지에 의해 전자-정공 쌍이 생성되어 전류가 흐르게 된다. 외부에서 불순물을 주입하여 외인성 반도체를 만들면 전자나 정공 중 하나가 과다하게 생성되어 다수 캐리어가 된다. N형 반도체에서는 전자가, P형 반도체에서는 정공이 다수 캐리어가 된다.
캐리어의 농도는 물질의 성질에 따라 달라지는데, 이는 에너지 상태 밀도 함수로 표현된다. 전자나 정공이 차지할 수 있는 에너지 준위의 밀도를 나타내는 것이 에너지 상태 밀도 함수이며, 이를 통해 캐리어 농도를 계산할 수 있다.
따라서 전하와 캐리어는 반도체의 전기적 특성을 결정하는 핵심 요소이며, 이들의 생성, 이동, 재결합 과정은 반도체 소자의 동작 원리를 이해하는 데 필수적이다.
1.6. 정전 용량과 충전 원리
정전 용량(Capacitor)은 전기가 통하는 도체 전극 사이에 절연체(유전체)가 존재하는 구조로, 외부 전압을 인가하면 같은 양의 반대 극성의 전하가 전극에 모이게 되는 원리를 이용한 소자이다.
정전 용량 소자는 전기를 일시적으로 저장하는 역할을 하며, 전하를 갖게 된 전극 사이의 전위차로 인해 전기장이 형성된다. 이때 전하량(Q)과 전압(V) 사이에는 비례 관계가 성립하게 되는데, 이 비례 상수를 정전 용량(C)이라고 한다. 즉, C = Q/V의 관계가 성립한다.
정전 용량 소자에 전압을 인가하면 전하가 축적되고, 인가 전압을 제거하면 축적된 전하가 방전된다. 이러한 충전과 방전의 원리는 반도체 소자의 동작에 매우 중요한 역할을 한다. 예를 들어, MOSFET의 게이트 전극과 기판 사이에는 게이트 산화막이 존재하여 MOS 캐패시터 구조를 형성하게 되며, 이 캐패시터에 전압을 걸어주면 반도체 표면에 전하 층이 형성되어 전류의 흐름을 조절할 수 있다.
또한, DRAM 메모리 소자에서는 커패시터에 데이터를 저장하고 주기적인 리프레시 동작을 통해 데이터를 유지하는 원리를 사용한다. 이처럼 정전 용량 소자는 반도체 소자 및 회로 동작의 근간을 이루는 매우 중요한 소자라고 할 수 있다.
1.7. 실리콘(Si)의 특성
실리콘(Si)의 특성은 다음과 같다.
실리콘은 반도체에 사용되는 주요 재료 중 하나로, 원자 번호 14번의 원소이다. 실리콘은 4개의 가전자로 구성된 4족 원소로, 실리콘 원자들은 서로 공유 결합하여 결정 구조를 형성한다. 0K 이상의 온도에서는 열에너지에 의해 실리콘 내부의 전자-정공 쌍이 생성되어 전도성을 갖게 되므로, 실리콘은 전도체와 부도체의 중간적인 특성을 지닌 반도체로 분류된다.
실리콘을 반도체 재료로 사용하는 주된 이유는 다음과 같다. 첫째, 실리콘은 지각에 풍부하게 존재하는 원소로 원재료를 얻기가 쉽고 가격이 싸다. 둘째, 실리콘 산화막의 특성이 다른 반도체 재료에 비해 월등히 우수하다. 셋째, 실리콘의 녹는점이 1414도로 높아 고온에서도 안정적이다. 넷째, 고순도의 실리콘을 정제할 수 있는 기술이 잘 발달되어 있다.
실리콘 웨이퍼는 균일하고 양호한 소자 특성의 확보가 가능한 (100) 결정면이 주로 사용된다. 이는 산화막 성장 시 실리콘과 산화막 경계면의 특성이 (100) 면이 가장 우수하기 때문이다. 또한 소자 제작 중 일관된 위치 정렬을 위해 웨이퍼 상에 평탄면(flat zone)과 새김눈(notch)을 형성한다.
실리콘은 4족 원소로 원자 간 결합은 공유 결합을 하고 있다. 0K 이상의 온도에서는 열에너지에 의해 전자-정공 쌍이 생성되어 전도성을 갖게 된다. 이때 양전하를 띠는 정공과 음전하를 띠는 전자가 반도체 내부에서 이동하며 전류를 발생시키는 캐리어 역할을 한다.
종합하면, 실리콘은 낮은 가격, 우수한 산화막 특성, 높은 녹는점, 고순도 정제 기술 등의 장점으로 인해 반도체 재료로 가장 널리 사용되고 있다. 특히 (100) 결정면이 주로 사용되며, 전자-정공 쌍의 생성을 통해 전도성을 가지는 반도체 특성을 보인다.
2. 반도체 소자
2.1. PN 접합 다이오드
PN 접합 다이오드는 P형 반도체와 N형 반도체를 서로 접합한 2단자 소자이다. P형 반도체와 n형 반도체가 접하는 경계는 금속학적 접합이라 불리며, P영역에 연결된 전극을 양극(Anode, 애노드), n영역에 연결된 전극을 음극(Cathode, 캐소드)으로 정의한다.
열 평형 상태란 열 에너지 외에 전압, 빛 등의 어떠한 외부 에너지도 개입하지 않는 상태이다. P형 반도체와 n형 반도체를 접합한 직후에는 전자 및 정공의 농도 차이가 매우 크다. n영역의 다수 캐리어인 전자는 p영역으로 확산되기 시작하고, p영역의 다수 캐리어인 정공은 n영역으로 확산되기 시작한다. 이 과정에서 전자와 정공은 서로 재결합하게 된다. 하지만 확산 과정이 무한정 계속되지 않고, 확산 과정에서 전자가 이동함에 따라 n영역에는 양으로 대전된 도너 이온(양전하)이 남게 되고, 유사하게 p영역에는 정공이 이동함에 따라 음으로 대전된 억셉터 이온(음전하)이 남게 된다. 양전하 및 음전하 영역은 공간 전하 영역이라 하고, 캐리어가 없는 영역이므로 공핍 영역이라고도 부른다.
평형 상태에서는 접합을 통해 흐르는 순 전류는 0이므로 확산 전류와 표동 전류는 서로 정확히 상쇄된다. 따라서 더 이상의 캐리어 확산이 진행되지 않고 멈추게 된다. 이때 n영역과 p영역 사이에 형성된 전위차를 접합 전압 또는 접합 전압장벽이라고 한다.
열 평형 상태의 PN 접합 다이오드에 전압을 인가하면 비평형 상태가 되어 더 이상 일정한 페르미 에너지 준위를 갖지 않는다. n영역에 대하여 p영역에 양의 전압이 인가되면 순방향 바이어스 상태가 되고, 공핍 영역의 폭이 감소하여 전류가 생성되게 만든다. 반대로 p영역에 대하여 n영역에 양의 전압이 인가되면 역방향 바이어스 상태가 되어 공핍 영역의 폭이 증가하고 전류는 거의 흐르지 않는다. 하지만 역방향 전압을 계속 증가시키면 밴드간 터널링 또는 눈사태 현상에 의한 항복 현상으로 큰 전류가 흐르게 된다.
이처럼 PN 접합 다이오드는 순방향 바이어스 시 전자와 정공이 접합면을 가로질러 이동하여 전류가 흐르고, 역방향 바이어스 시 전자와 정공이 접합면 반대 방향으로 이동하여 전류가 거의 흐르지 않는 정류 특성을 지닌다. 이러한 전압에 따른 전류의 흐름 특성 때문에 다이오드는 전자 회로에서 다양하게 활용되고 있다.PN 접합 다이오드의 동작 원리를 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.
P형 반도체와 n형 반도체를 접합하면 두 영역 간 농도차로 인해 확산 현상이 발생한다. n영역의 다수 캐리어인 전자는 농도 차이로 인해 p영역으로 확산되고, p영역의 다수 캐리어인 정공은 n영역으로 확산된다. 이 과정에서 전자와 정공이 재결합하여 소멸되면서 p영역 근처에는 양전하를 띠는 도너 이온이, n영역 근처에는 음전하를 띠는 억셉터 이온이 남게 된다.
이렇게 형성된 공간 전하 영역에는 전기장이 형성되는데, 이 전기장이 전자와 정공의 확산을 막아 더 이상의 캐리어 확산을 방지한다. 이때 n영역과 p영역 사이에 형성된 전위차를 접합 전압 또는 장벽 전압이라 한다.
열 평형 상태에서는 확산 전류와 표동 전류가 서로 상쇄되어 순 전류가 0이 된다. 하지만 외부에서 전압을 인가하면 비평형 상태가 되어 순 전류가 흐르게 된다.
순방향 바이어스 시 전압이 걸리면 공핍 영역의 폭이 줄어들어 전자와 정공이 용이하게 이동할 수 있게 된다. 이때 전자는 p영역으로, 정공은 n영역으로 흘러들어가 재결합하면서 순 전류가 생성된다.
반면 역방향 바이어스 시에는 공핍 영역의 폭이 늘어나 전자와 정공의 이동이 어려워져 전류가 거의 흐르지 않는다. 하지만 역방향 전압을 계속 높이면 터널 효과 또는 항복 현상으로 인해 큰 전류가 흐르게 된다.
이와 같은 PN 접합 다이오드의 정류 특성은 전자 회로에서 다이오드의 다양한 활용을 가능하게 한다. 정류, 스위칭, 검파 등의 기능을 수행할 수 있어 전원 회로, 신호 처리 회로 등에 널리 사용되고 있다.
2.2. MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)
MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)은 금속-산화막-반도체 구조로 이루어진 전계효과 트랜지스터이다. MOSFET은 게이트(Gate), 소스(Source), 드레인(Drain), 기판(Substrate)의 4단자로 구성되어 있으며, 전기장의 영향을 받아 작동한다.
MOSFET의 구조 및 동작 원리는 다음과 같다. MOSFET은 p형 기판 위에 n형 소스와 드레인이 형성되어 있다. 게이트 단자와 기판 사이에는 산화막이 존재하며, 게이트에 전압이 인가되면 전기장이 형성된다. 이 전기장이 반도체 영역에 영향을 미쳐 채널이 형성되고, 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르게 된다.
MOSFET의 동작은 크게 세 가지 영역으로 나뉜다. 게이트-소스 전압(Vgs)이 문턱전압(Vt) 보다 작은 영역에서는 채널이 형성되지 않아 전류가 흐르지 않는 차단 영역(Cut-off Region)이 된다. 그 다음 Vgs가 Vt보다 크고, 드레인-소스 전압(Vds)이 작은 영역에서는 선형적으로 전류가 증가하는 선형 영역(Triode Region)이 된다. 마지막으로 Vds가 Vgs-Vt보다 크면 전류가 일정한 포화 영역(Saturation Region)이 된다.
MOSFET의 특성 및 단채널 효과는 다음과 같다. 채널 길이가 짧아질수록 문턱전압이 낮아지고 단채널 효과가 나타나게 된다. 이는 전압 변화에 따른 전계의 침투가 심화되어 발생하는 현상이다. 이를 해결하기 위해 고농도 채널 불순물 도핑, 얇은 게이트 산화막, 낮은 공급 전압 등의 기술이 도입되고 있다.
최근에는 집적도 향상과 단채널 효과 해결을 위해 FinFET 구조가 주목받고 있다. FinFET은 3차원 구조로 게이트가 채널을 감싸는 형태를 가지며, 기존 MOSFET에 비해 향상된 성능을 보인다.
2.3. MOS 캐패시터
MOS 캐패시터는 금속-산화물-반도체 캐패시터를 의미하며, MOSFET의 가장 핵심적인 부분이다. MOS 캐패시터는 게이트, 기판 등 2단자 소자로 구성되어 있으며, MOSFET에서 중앙부(게이트, 기판)만을 분리하여 구성한 구조라고 할 수 있다.
MOS 캐패시터의 구조는 게이트를 금속 또는 다결정 실리콘으로 구성하고, 산화막에는 주로 실리콘 산화막을 사용한다. 게이트와 기판 사이에는 절연체인 산화막이 놓여있다. 이러한 MOS 캐패시터 구조에서 게이트에 전압을 인가하면 기판 내에 전하가 모이게 되어 전기적 특성이 변화하게 된다.
MOS 캐패시터의 동작 원리는 다음과 같다. 게이트에 전압을 인가하지 않은 상태에서는 기판 내 전하가 균일하게 분포되어 있다. 그러나 게이트에 전압을 인가하면 전기장이 형성되고, 이에 따라 기판 내 전하가 이동하게 된다.
게이트...
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25