close
본문으로 이동

반도체 소자

위키백과, 우리 모두의 백과사전.
Image 반도체 기반 저장장치에 대해서는 솔리드 스테이트 드라이브 문서를 참고하십시오.
반도체 소자 제작의 흐름도
Image 청정실(클린룸) 반도체를 사용한 전자제품은 미세 먼지에 약하기 때문에 제조는 이렇게 깨끗한 환경에서 한다.
Image 실리콘 잉곳 (왼쪽의 긴 원주)을 얇게 썰어서 실리콘 웨이퍼(아래의 얇은 원판)를 만든다.
Image
Image 회로 제작을 마친 여러 가지 웨이퍼들이다. 기판의 눈처럼 보이는 것은 동일한 회로 (다이)가 나란히 있기 때문이다. 이것을 다이아몬드 칼로 분리한다.
Image 웨이퍼에서 분리한 다이이다. (위 사진에서 눈하나와 동일함) 복잡하게 뒤얽힌 회로가 보인다.
Image 최종 상태
이것은 내부가 보이는 칩의 예시이다. 가운데에 보이는 것이 웨이퍼로부터 분리한 다이이다.
Image
Image 마지막으로 컴퓨터나 텔레비전 같은 여러 종류의 전자제품 내부에 탑재된다.
Image
패키징된 일부 반도체 소자의 외관

반도체 소자(半導體素子, 영어: semiconductor device) 또는 고체상태 소자/솔리드-스테이트 디바이스(固體狀態素子, 영어: solid-state device)는 반도체 재료(주로 규소, 저마늄, 비소화 갈륨 및 유기 반도체)의 전자적 특성에 의존하여 기능을 수행하는 전자 부품이다. 반도체의 도전율은 도체와 절연체 사이에 있다. 반도체 소자는 대부분의 응용 분야에서 진공관을 대체했다. 이들은 진공(일반적으로 열전자 방출에 의해 유리됨)을 가로지르는 자유 전자나 이온화된 가스를 통한 자유 전자 및 이온이 아닌, 고체 상태 내에서 전류를 전도한다.

반도체 소자는 단일 개별 소자뿐만 아니라, 수백 개에서 수십억 개에 이르는 소자들을 단일 반도체 웨이퍼(기판이라고도 함) 위에 제조하고 상호 연결한 집적 회로로도 제조된다.

반도체 재료는 도핑이라고 불리는 의도적인 불순물 첨가를 통해 그 거동을 쉽게 조절할 수 있기 때문에 유용하다. 반도체의 도전율은 전기장이나 자기장의 도입, 빛이나 열에 대한 노출, 또는 도핑된 단결정 실리콘 격자의 기계적 변형에 의해 제어될 수 있다. 따라서 반도체는 우수한 센서가 될 수 있다. 반도체 내의 전류 전도는 이동 가능한 "자유" 전자와 양공에 의해 발생하며, 이들을 통칭하여 전하 운반자라고 한다. 반도체에 인이나 붕소와 같은 원자 불순물을 적은 비율로 도핑하면 반도체 내의 자유 전자나 양공의 수가 크게 증가한다. 도핑된 반도체에 양공이 과잉되면 P형 반도체(양전하를 뜻하는 positive의 p)라고 하며, 자유 전자가 과잉되면 N형 반도체(음전하를 뜻하는 negative의 n)라고 한다. 이동 가능한 전하 운반자의 대다수는 음전하를 띤다. 반도체 제조 공정에서는 P형 및 N형 도펀트의 위치와 농도를 정밀하게 제어한다. N형과 P형 반도체의 연결은 PN 접합을 형성한다.

세계에서 가장 흔한 반도체 소자는 MOS 트랜지스터라고도 불리는 MOSFET(금속 산화물 반도체 장효과 트랜지스터)이다.[1] 2013년 기준으로 매일 수십억 개의 MOS 트랜지스터가 제조되고 있다.[2] 연간 생산되는 반도체 소자 수는 1978년 이후 평균 9.1%씩 성장해 왔으며, 2018년 출하량은 처음으로 1조 개를 넘을 것으로 예측되었다.[3] 이는 현재까지 총 7조 개 이상의 소자가 만들어졌음을 의미한다.

주요 유형

[편집]

다이오드

[편집]

반도체 다이오드는 일반적으로 단일 PN 접합으로 만들어진 소자다. P형과 N형 반도체의 접합부에는 이동 가능한 전하 운반자가 부족하여 전류 전도가 억제되는 결핍 영역이 형성된다. 소자에 순방향 바이어스(P측에 N측보다 높은 전위를 연결)가 걸리면 이 결핍 영역이 줄어들어 상당한 전도가 가능해진다. 반대로, 다이오드에 역방향 바이어스(N측에 P측보다 높은 전위를 연결하여 결핍 영역이 확장됨)가 걸리면 매우 적은 전류만 흐를 수 있다.

반도체를 빛에 노출시키면 전자-양공 쌍이 생성될 수 있으며, 이는 자유 운반자 수를 증가시켜 도전율을 높인다. 이 현상을 활용하도록 최적화된 다이오드를 광다이오드라고 한다. 화합물 반도체 다이오드는 발광 다이오드(LED) 및 반도체 레이저와 같이 빛을 낼 수도 있다.

트랜지스터

[편집]

접합형 트랜지스터

[편집]
Image
N-P-N 접합형 트랜지스터 구조

접합형 트랜지스터(BJT)는 N-P-N 또는 P-N-P 구성 중 하나의 형태로 두 개의 PN 접합으로 형성된다. 접합부 사이의 중간 영역인 베이스(base)는 일반적으로 매우 좁다. 다른 영역들과 그에 연결된 단자들은 에미터(emitter)와 컬렉터(collector)로 알려져 있다. 베이스와 에미터 사이의 접합을 통해 주입된 작은 전류는 베이스-컬렉터 접합의 특성을 변화시켜, 역방향 바이어스가 걸려 있음에도 전류가 흐를 수 있게 한다. 이는 베이스-에미터 전류에 의해 제어되는, 컬렉터와 에미터 사이의 훨씬 더 큰 전류를 만들어낸다.

장효과 트랜지스터

[편집]

트랜지스터의 또 다른 유형인 장효과 트랜지스터(FET)는 전기장의 존재에 의해 반도체의 도전율이 증가하거나 감소할 수 있다는 원리에 따라 작동한다. 전기장은 반도체 내의 자유 전자와 양공의 수를 증가시켜 도전율을 변화시킬 수 있다. 전기장은 역방향 바이어스된 PN 접합에 의해 인가되어 접합 장효과 트랜지스터(JFET)를 형성하거나, 산화물 층에 의해 벌크 재료로부터 절연된 전극에 의해 인가되어 금속 산화물 반도체 장효과 트랜지스터(MOSFET)를 형성할 수 있다.

금속 산화물 반도체

[편집]
Image
MOSFET의 작동과 그 Id-Vg 곡선. 처음 게이트 전압이 인가되지 않았을 때는 채널에 반전 전자가 없어 소자가 꺼진(OFF) 상태다. 게이트 전압이 증가함에 따라 채널 내의 반전 전자 밀도가 증가하고, 전류가 증가하며 소자가 켜진다.

금속 산화물 반도체 FET(MOSFET 또는 MOS 트랜지스터)는 고체 상태 소자로서, 오늘날 가장 널리 사용되는 반도체 소자다. 이는 모든 트랜지스터의 최소 99.9%를 차지하며, 1960년에서 2018년 사이에 약 13해(sextillion) 개의 MOSFET이 제조된 것으로 추산된다.[4]

게이트 전극에 전하가 가해지면 소스(source)와 드레인(drain)이라고 불리는 두 단자 사이 "채널"의 도전율을 제어하는 전기장이 생성된다. 채널 내의 운반자 유형에 따라 소자는 N-채널(전자용) 또는 P-채널(양공용) MOSFET이 될 수 있다. MOSFET은 부분적으로 "금속(metal)" 게이트의 이름을 따서 명명되었지만, 현대 소자에서는 일반적으로 대신 다결정 실리콘이 사용된다.

기타 유형

[편집]

2단자 소자:

3단자 소자:

4단자 소자:

재료

[편집]

현재까지 규소(Si)는 반도체 소자에서 가장 널리 사용되는 재료다. 낮은 원재료 비용, 비교적 간단한 공정, 그리고 유용한 온도 범위의 조합은 규소를 여러 경쟁 재료들 사이에서 현재 가장 좋은 절충안으로 만든다. 반도체 소자 제조에 사용되는 규소는 현재 300 mm(12인치) 웨이퍼를 생산할 수 있을 만큼 직경이 큰 불 형상으로 제조된다.

저마늄(Ge)은 초기에 널리 사용된 반도체 재료였으나 열 민감성 때문에 규소보다 유용성이 떨어진다. 오늘날 저마늄은 초고속 SiGe 소자에 사용하기 위해 규소와 합금되는 경우가 많으며, IBM이 이러한 소자의 주요 생산자다.

비소화 갈륨(GaAs) 역시 고속 소자에 널리 사용되지만, 지금까지 이 재료의 대구경 불을 형성하는 것이 어려워 웨이퍼 직경이 규소 웨이퍼보다 훨씬 작은 크기로 제한되어 왔다. 이로 인해 GaAs 소자의 대량 생산은 규소보다 훨씬 비용이 많이 든다.

질화 갈륨(GaN)은 높은 강도와 열전도율 덕분에 전력 IC, 발광 다이오드(LED), RF 부품을 포함한 고전력 응용 분야에서 인기를 얻고 있다. 규소와 비교할 때 GaN의 띠틈은 3.4 eV로 3배 이상 넓으며, 전자를 1,000배 더 효율적으로 전도한다.[5][6]

다른 덜 일반적인 재료들도 사용되거나 연구 중에 있다.

탄화 규소(SiC) 역시 전력 IC에서 인기를 얻고 있으며 청색 LED의 원재료로 일부 응용 분야를 찾았다. 또한 매우 높은 작동 온도와 상당한 수준의 이온화 방사선이 존재하는 환경을 견딜 수 있는 반도체 소자용으로 연구되고 있다. IMPATT 다이오드 또한 SiC로 제작된 바 있다.

다양한 인듐 화합물(안티몬화 인듐, 인화 인듐 등)도 LED와 고체 반도체 레이저에 사용되고 있다. 황화 셀레늄은 광전 태양 전지 제조에서 연구되고 있다.

유기 반도체의 가장 일반적인 용도는 유기 발광 다이오드다.

응용

[편집]

모든 트랜지스터 유형은 디지털 회로 설계의 기초가 되는 논리 회로의 구성 요소로 사용될 수 있다. 마이크로프로세서와 같은 디지털 회로에서 트랜지스터는 온-오프 스위치 역할을 한다. 예를 들어 MOSFET에서 게이트에 인가된 전압은 스위치의 온-오프 여부를 결정한다.

아날로그 회로에 사용되는 트랜지스터는 온-오프 스위치로 작동하지 않고, 연속적인 범위의 입력에 대해 연속적인 범위의 출력으로 응답한다. 일반적인 아날로그 회로에는 앰프와 발진기가 포함된다.

디지털 회로와 아날로그 회로 사이를 연결하거나 변환하는 회로를 혼성 신호 집적 회로라고 한다.

전력 반도체 소자는 고전류 또는 고전압 응용 분야를 위한 개별 소자 또는 집적 회로다. 전력 집적 회로는 IC 기술과 전력 반도체 기술을 결합한 것으로, 때때로 "스마트" 전력 소자라고 불린다. 여러 회사가 전력 반도체 제조를 전문으로 하고 있다.

부품 식별자

[편집]

반도체 소자의 부품 번호는 종종 제조업체마다 다르다. 그럼에도 불구하고 유형 코드에 대한 표준을 만들려는 시도가 있었으며, 일부 소자들은 이를 따른다. 예를 들어 개별 소자의 경우 세 가지 표준이 있다. 미국의 JEDEC JESD370B, 유럽의 Pro Electron, 그리고 일본 산업 규격(JIS)이다.

제조

[편집]
이 문단은 다음의 발췌 내용입니다: 반도체 제조.[편집]
Image
HP 랩스의 반도체 소자 제조 시설
반도체
소자
제조
Image
미래
v • d • e • h

반도체 소자 제조(semiconductor device fabrication)는 일반적으로 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 및 메모리(예: RAM 및 플래시 메모리)와 같은 집적 회로(IC)를 포함한 반도체 소자를 제조하는 공정이다. 이는 열 산화, 박막 증착, 이온 주입, 식각과 같은 단계와 함께 다단계 포토리소그래피 및 물리화학적 공정이며, 이 과정에서 전자 회로는 일반적으로 순수 단결정 반도체 재료로 만들어진 웨이퍼에 점진적으로 생성된다. 규소가 거의 항상 사용되지만, 특수 용도를 위해 다양한 화합물 반도체가 사용된다. 식각 및 포토리소그래피와 같은 단계는 LCD 및 OLED 디스플레이와 같은 다른 장치를 제조하는 데 사용될 수 있다.[7]

제조 공정은 파운드리 또는 "팹"이라고도 불리는 고도로 전문화된 파운드리에서 수행되며,[8] 그 중심부는 "청정실"이다. 최신 14/10/7 nm 노드와 같은 고급 반도체 소자의 경우 제조에 최대 15주가 소요될 수 있으며, 업계 평균은 11~13주이다.[9] 고급 제조 시설의 생산은 완전히 자동화되어 있으며, 자동화된 자재 처리 시스템이 웨이퍼를 기계에서 기계로 운반하는 역할을 담당한다.[10]

하나의 웨이퍼에는 여러 개의 집적 회로가 있으며, 이들은 하나의 웨이퍼에서 잘라낸 조각이므로 다이라고 불린다. 개별 다이는 웨이퍼 절단이라고도 불리는 다이 싱귤레이션 공정을 통해 완성된 웨이퍼에서 분리된다. 그런 다음 다이는 추가 조립 및 패키징 과정을 거칠 수 있다.[11]

제조 공장 내에서 웨이퍼는 FOUP라고 불리는 특수 밀봉 플라스틱 상자 안에 운반된다.[10] 많은 팹의 FOUP에는 내부 질소 분위기가 포함되어 있어[12][13] 웨이퍼 표면의 구리 산화를 방지하는 데 도움이 된다. 구리는 현대 반도체에서 배선에 사용된다.[14] FOUP 및 가공 장비의 내부는 클린룸의 주변 공기보다 깨끗하게 유지된다. 이 내부 분위기는 미니 환경으로 알려져 있으며, 웨이퍼 상의 작동 장치 수인 수율을 향상시키는 데 도움이 된다. 이 미니 환경은 EFEM(장비 프론트 엔드 모듈) 내에 있으며[15] 장비가 FOUP를 수신하고 FOUP에서 장비로 웨이퍼를 도입할 수 있도록 한다. 또한 많은 장비는 오염을 줄이고 공정 제어를 개선하기 위해 깨끗한 질소 또는 진공 환경에서 웨이퍼를 처리한다.[10] 제조 공장은 생산 기계 및 FOUP 내의 분위기를 유지하기 위해 많은 양의 액체 질소를 필요로 하며, 이들은 지속적으로 질소로 퍼지된다.[12][13] 또한 FOUP와 EFEM 사이에 에어 커튼 또는 메시가 있을 수 있으며[16] 이는 FOUP로 유입되는 습기의 양을 줄이고 수율을 향상시키는 데 도움이 된다.[17][18]

산업용 반도체 제조 공정에서 사용되는 기계를 제조하는 회사로는 ASML, 어플라이드 머티어리얼즈, 도쿄 일렉트론, 램 리서치 등이 있다.

발전의 역사

[편집]

고양이 수염 검파기

[편집]

반도체는 트랜지스터 발명 전부터 한동안 전자 분야에서 사용되어 왔다. 20세기 전환기 무렵, 자가디시 찬드라 보스 등이 개발한 "고양이 수염(cat's whisker)"이라 불리는 장치에서 라디오 검파기로 상당히 흔하게 사용되었다. 그러나 이 검파기들은 다소 다루기 힘들었는데, 사용자가 방연석(황화 납) 또는 탄화 규소 결정 표면에서 작은 텅스텐 필라멘트(수염)를 갑자기 작동할 때까지 이리저리 움직여야 했기 때문이다.[19] 그러고 나면 몇 시간 또는 며칠이 지나면서 고양이 수염은 서서히 작동을 멈추었고 이 과정을 반복해야 했다. 당시 그 작동 원리는 완전히 수수께끼였다. 더 신뢰할 수 있고 증폭 기능이 있는 진공관 기반 라디오가 도입된 후, 고양이 수염 시스템은 빠르게 사라졌다. "고양이 수염"은 오늘날에도 여전히 인기 있는 특수 유형의 다이오드인 쇼트키 다이오드의 원시적인 예시다.

금속 정류기

[편집]

또 다른 초기 유형의 반도체 소자는 반도체가 산화 구리(I) 또는 셀레늄인 금속 정류기다. 웨스팅하우스 일렉트릭은 이러한 정류기의 주요 제조업체였다.

제2차 세계 대전

[편집]

제2차 세계 대전 동안 레이더 연구는 레이더 수신기가 약 4000 MHz의 높은 진동수에서 작동하도록 빠르게 밀어붙였고, 전통적인 진공관 기반 라디오 수신기는 더 이상 잘 작동하지 않았다. 1940년 티저드 사절단 기간 동안 영국에서 미국으로 자전관이 도입되면서 실용적인 고주파 증폭기에 대한 절박한 필요성이 생겼다.

벨 연구소의 러셀 올은 즉흥적으로 고양이 수염 검파기를 시도해 보기로 결정했다. 이 시점에서는 수년 동안 사용되지 않았고 연구소의 누구도 가지고 있지 않았다. 뉴욕 맨해튼의 중고 라디오 가게에서 하나를 찾아낸 후, 그는 그것이 진공관 기반 시스템보다 훨씬 더 잘 작동한다는 것을 발견했다.

올은 왜 고양이 수염이 그렇게 잘 작동하는지 조사했다. 그는 1939년의 대부분을 더 순수한 결정 버전을 성장시키려 노력하며 보냈다. 그는 곧 결정의 품질이 높아지면 변덕스러운 거동은 사라지지만, 라디오 검파기로 작동하는 능력도 사라진다는 것을 발견했다. 그러던 어느 날 그는 자신의 가장 순수한 결정 중 하나가 그럼에도 불구하고 잘 작동하며 중간 부근에 뚜렷한 균열이 있는 것을 발견했다. 그러나 그가 그것을 테스트하기 위해 방 안을 돌아다닐 때 검파기는 알 수 없는 이유로 작동했다가 다시 멈추곤 했다. 연구 끝에 그는 그 거동이 방 안의 빛에 의해 제어된다는 것을 발견했다. 빛이 많을수록 결정의 전도성이 높아졌던 것이다. 그는 다른 여러 사람을 불러 이 결정을 보여주었고, 월터 하우저 브래튼은 즉시 그 균열 부분에 일종의 접합부가 있다는 것을 깨달았다.

추가 연구로 남은 미스터리가 풀렸다. 올이 제거할 수 없었던 약 0.2%의 아주 미세하게 다른 불순물 양이 양쪽에 포함되어 있었기 때문에 결정에 균열이 생겼던 것이다. 결정의 한쪽에는 여분의 전자(전류의 운반자)를 추가하는 불순물이 있어 "도체"가 되었다. 다른 쪽에는 이러한 전자와 결합하려는 불순물이 있어 (그가 부르기에) "절연체"가 되었다. 결정의 두 부분이 서로 접촉하고 있었기 때문에, 여분의 전자를 가진 전도성 쪽(곧 에미터로 알려짐)에서 전자가 밀려나와 (예를 들어 배터리로부터) 새로 제공되는 전자로 대체되고, 이 전자들이 절연 부분으로 흘러 들어가 수염 필라멘트(컬렉터라 명명됨)에 수집될 수 있었다. 그러나 전압이 역전되면 컬렉터로 밀려 들어가는 전자가 "양공"(전자가 필요한 불순물)을 빠르게 채우게 되어 전도가 거의 즉시 멈췄다. 이 두 결정(또는 한 결정의 두 부분)의 접합은 고체 상태 다이오드를 만들었고, 이 개념은 곧 반도체로 알려지게 되었다. 다이오드가 꺼졌을 때의 작동 기제는 접합부 주변의 전하 운반자 분리와 관련이 있다. 이것을 "결핍 영역"이라고 한다.

다이오드의 발전

[편집]

이 새로운 다이오드가 어떻게 작동하는지에 대한 지식을 갖추고, 필요에 따라 이를 제작하는 방법을 배우기 위한 활발한 노력이 시작되었다. 퍼듀 대학교, 벨 연구소, 매사추세츠 공과대학교(MIT), 시카고 대학교 팀들이 모두 힘을 합쳐 더 나은 결정을 만들었다. 1년 안에 저마늄 생산은 군용 등급 다이오드가 대부분의 레이더 세트에 사용될 정도로 완벽해졌다.

트랜지스터의 발전

[편집]

전쟁 후, 위리엄 쇼클리는 3극 진공관과 유사한 반도체 소자 제작을 시도하기로 결정했다. 그는 자금과 실험실 공간을 확보하고 브래튼, 존 바딘과 함께 이 문제에 매달렸다.

트랜지스터 발전의 핵심은 반도체 내 전자 이동도 과정에 대한 심도 있는 이해였다. 새로 발견된 이 다이오드의 에미터에서 컬렉터로 흐르는 전자 흐름을 제어할 방법이 있다면 증폭기를 만들 수 있다는 것을 깨달았다. 예를 들어 단일 유형 결정의 양쪽에 접점이 놓이면 결정 전반에 걸쳐 전류가 흐르지 않는다. 그러나 제3의 접점이 재료에 전자나 양공을 "주입"할 수 있다면 전류가 흐르게 될 것이다.

실제로 이를 수행하는 것은 매우 어려워 보였다. 결정이 어느 정도 크기라면 주입해야 할 전자(또는 양공)의 수가 매우 많아야 하므로, 처음부터 큰 주입 전류가 필요하게 되어 증폭기로서의 유용성이 떨어진다. 그렇긴 하지만, 결정 다이오드의 전체적인 아이디어는 결정 자체가 매우 짧은 거리인 결핍 영역을 가로질러 전자를 제공할 수 있다는 것이었다. 핵심은 이 영역의 양쪽 결정 표면에 입력 및 출력 접점을 매우 가깝게 배치하는 것으로 보였다.

브래튼은 이러한 장치를 만드는 작업을 시작했고, 팀이 문제에 매달리면서 증폭의 감질나는 징후가 계속 나타났다. 때로는 시스템이 작동하다가 예상치 못하게 멈추곤 했다. 한 사례에서는 작동하지 않던 시스템을 물에 넣었을 때 작동하기 시작했다. 올과 브래튼은 결국 이 거동을 설명하기 위해 표면 물리라고 알려진 양자역학의 새로운 분야를 발전시켰다. 결정의 어느 한 조각에 있는 전자들은 근처의 전하 때문에 이리저리 이동할 것이다. 에미터의 전자나 컬렉터의 "양공"은 결정 표면에 결집하여 공기(또는 물) 속에 "떠다니는" 반대 전하를 찾으려 할 것이다. 그러나 결정의 다른 위치에서 적은 양의 전하를 인가함으로써 이들을 표면에서 밀어낼 수 있었다. 많은 양의 주입된 전자가 필요한 대신, 결정의 적절한 위치에 아주 적은 수의 전자만 있으면 같은 일을 해낼 수 있었다.

그들의 이해는 아주 작은 제어 영역이 필요한 문제를 어느 정도 해결했다. 공통의 아주 작은 영역으로 연결된 두 개의 별개 반도체 대신, 단일한 더 넓은 표면이 그 역할을 할 수 있었다. 전자 방출 및 수집 리드는 모두 상단에 아주 가깝게 배치하고, 제어 리드는 결정의 베이스에 배치한다. 전류가 이 "베이스" 리드를 통해 흐를 때 전자나 양공은 밀려나 반도체 블록을 가로질러 반대편 표면에 수집될 것이다. 에미터와 컬렉터가 매우 가깝게 붙어 있는 한, 이는 전도가 시작될 수 있을 만큼 충분한 전자나 양공이 그들 사이에 흐르게 할 것이다.

최초의 트랜지스터

[편집]
Image
최초의 트랜지스터를 형상화한 복제품

벨 팀은 다양한 도구로 그러한 시스템을 구축하려 시도했으나 일반적으로 실패했다. 접점이 충분히 가까운 설정은 원래의 고양이 수염 검파기만큼이나 예외 없이 약해서 잠깐 작동하거나 아예 작동하지 않았다. 마침내 그들은 실질적인 돌파구를 마련했다. 플라스틱 쐐기 가장자리에 금박을 붙인 다음, 삼각형 끝부분에서 면도날로 금박을 잘라냈다. 그 결과 매우 좁은 간격의 두 금 접점이 만들어졌다. 쐐기를 결정 표면에 누르고 다른 쪽(결정 베이스)에 전압을 가하자, 베이스 전압이 전자를 베이스에서 멀어지게 하여 접점 근처의 다른 쪽으로 밀어내면서 한 접점에서 다른 접점으로 전류가 흐르기 시작했다. 점접촉 트랜지스터가 발명된 것이다.

이 장치는 일주일 전에 제작되었지만, 브래튼의 노트에는 트랜지스터의 탄생일로 자주 언급되는 1947년 12월 23일 오후에 벨 연구소 상층부에서 이루어진 최초의 시연이 기록되어 있다. 현재 "P-N-P 점접촉 저마늄 트랜지스터"로 알려진 이 소자는 그 시험에서 18의 전력 이득을 가진 음성 증폭기로 작동했다. 존 바딘, 월터 하우저 브래튼, 그리고 윌리엄 쇼클리는 그들의 공로로 1956년 노벨 물리학상을 수상했다.

"트랜지스터"의 어원

[편집]

벨 전화 연구소는 그들의 새로운 발명품에 대한 일반적인 이름이 필요했다. "Semiconductor Triode", "Solid Triode", "Surface States Triode" [sic], "Crystal Triode", "Iotatron" 등이 모두 고려되었으나, 존 R. 피어스가 만든 "transistor"가 내부 투표에서 승리했다. 이름의 근거는 투표를 요청하는 회사의 기술 각서(1948년 5월 28일) [26]에서 다음과 같이 설명된다.

Transistor. 이것은 "transconductance"(상호 컨덕턴스) 또는 "transfer"(전달), 그리고 "varistor"(배리스터)라는 단어의 축약된 조합이다. 이 장치는 논리적으로 배리스터 가족에 속하며, 이득을 가진 소자의 상호 컨덕턴스 또는 전달 임피던스를 가지고 있으므로 이 조합이 묘사적이다.

트랜지스터 설계의 개선

[편집]

쇼클리는 이 장치가 자신의 "등 뒤에서" 공을 가로채려 했다고 생각한 브래튼과 바딘의 공로로 돌아간 것에 화가 났다. 설상가상으로 벨 연구소 변호사들이 쇼클리 자신이 트랜지스터에 대해 쓴 글의 일부가 이전 1925년 율리우스 에드가 릴리엔펠트의 특허와 충분히 유사하다는 것을 발견하여, 특허 신청서에서 그의 이름을 빼는 것이 최선이라고 생각하면서 상황은 악화되었다.

격분한 쇼클리는 누가 이 프로젝트의 진정한 두뇌인지 보여주기로 결심했다. 몇 달 후 그는 층 또는 '샌드위치' 구조를 가진 완전히 새롭고 상당히 더 견고한 접합형 트랜지스터 유형을 발명했으며, 이는 1960년대까지 대다수 트랜지스터에 사용되었다.

취약성 문제가 해결되자 남은 문제는 순도였다. 필요한 순도의 저마늄을 만드는 것은 심각한 문제로 판명되었고, 주어진 재료 배치에서 실제로 작동하는 트랜지스터의 수율을 제한했다. 온도에 대한 저마늄의 민감성 또한 유용성을 제한했다. 과학자들은 규소가 제조하기 더 쉬울 것이라고 이론화했지만, 이 가능성을 조사한 사람은 거의 없었다. 전 벨 연구소 과학자 고든 K. 틸은 신생 기업이었던 텍사스 인스트루먼트에서 최초로 작동하는 규소 트랜지스터를 개발하여 기술적 우위를 점했다. 1950년대 후반부터 대부분의 트랜지스터는 규소 기반이었다. 몇 년 지나지 않아 휴대하기 쉬운 라디오를 비롯한 트랜지스터 기반 제품들이 시장에 등장했다. 결정 속을 이동하는 용융 재료 띠를 사용하는 기술인 "존 멜팅"은 결정 순도를 더욱 높였다.

금속 산화물 반도체

[편집]

1955년, 칼 프로슈와 링컨 데릭은 실수로 규소 웨이퍼 위에 이산화 규소 층을 성장시켰고, 여기서 표면 수동태화 효과를 관찰했다.[20][21] 1957년까지 프로슈와 데릭은 마스킹과 전착을 사용하여 이산화 규소 장효과 트랜지스터를 제조할 수 있었다. 이것은 드레인과 소스가 동일한 표면에 인접한 최초의 평면형 트랜지스터였다.[22] 그들은 이산화 규소가 규소 웨이퍼를 절연 및 보호하고 도펀트가 웨이퍼로 확산되는 것을 방지한다는 것을 보여주었다.[20][22] 벨 연구소에서는 프로슈와 데릭의 기술 및 트랜지스터의 중요성을 즉시 깨달았다. 그들의 연구 결과는 1957년 발표되기 전 BTL 각서의 형태로 벨 연구소 내에 배포되었다. 쇼클리 반도체 연구소에서 쇼클리는 1956년 12월에 나중에 페어차일드 반도체에서 1959년 평면 공정을 발명하게 될 장 회르니를 포함한 모든 고위 직원들에게 그들의 기사 초안을 배포했다.[23][24][25][26][27][28]

Image
1957년, 프로슈와 데릭이 제작한 SiO2 트랜지스터 소자 중 하나의 도식[22]

이후 J.R. 리겐자와 W.G. 스피처는 열적으로 성장된 산화물의 메커니즘을 연구하여 고품질의 Si/SiO2 스택을 제작하고 1960년에 그 결과를 발표했다.[29][30][31] 이 연구에 이어 모하메드 아탈라와 강대원은 1959년에 규소 MOS 트랜지스터를 제안했고[32] 1960년 벨 연구소 팀과 함께 작동하는 MOS 소자를 성공적으로 시연했다.[33][34] 그들의 팀에는 소자를 제작한 E. E. 라베이트와 E. I. 포빌로니스, 확산 공정을 개발한 M. O. 서스턴, L. A. 디아사로, J. R. 리겐자, 그리고 소자의 특성을 분석한 H. K. 거멜과 R. 린드너가 포함되어 있었다.[35][36]

MOSFET은 미세화 가능성과 접합형 트랜지스터보다 훨씬 낮은 전력 소비 및 높은 집적도 덕분에[37][38] 컴퓨터, 가전제품,[39] 스마트폰과 같은 통신 기술에서 가장 일반적인 유형의 트랜지스터가 되었다.[40] 미국 특허청은 MOSFET을 "전 세계의 삶과 문화를 변화시킨 획기적인 발명품"이라고 부른다.[40]

바딘의 1948년 반전층 개념은 오늘날 CMOS 기술의 기초를 형성한다.[41] CMOS(상보성 MOS)는 1963년 페어차일드 반도체에서 치탕 사와 프랭크 원래스에 의해 발명되었다.[42] 플로팅 게이트 MOSFET에 대한 최초의 보고는 1967년 강대원과 사이먼 세에 의해 이루어졌다.[43] 3D 멀티게이트 MOSFET의 일종인 핀펫(FinFET)은 1967년 H. R. 패라(벤딕스 코퍼레이션)와 R. F. 스타인버그에 의해 제안되었고[44] 1989년 히타치 중앙연구소의 히사모토 다이와 그의 연구팀에 의해 처음으로 제작되었다.[45][46]

같이 보기

[편집]

각주

[편집]
  1. ↑ Golio, Mike; Golio, Janet (2018). 《RF and Microwave Passive and Active Technologies》. CRC Press. 18-2쪽. ISBN 9781420006728.
  2. ↑ “Who Invented the Transistor?”. 《Computer History Museum》. 2013년 12월 4일. 2019년 7월 20일에 확인함.
  3. ↑ “Semiconductor Shipments Forecast to Exceed 1 Trillion Devices in 2018”. 《www.icinsights.com》. 2018년 4월 4일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 4월 16일에 확인함. Annual semiconductor unit shipments (integrated circuits and Opto-sensor-discrete, or O-S-D, devices) are expected to grow 9% [..] For 2018, semiconductor unit shipments are forecast to climb to 1,075.1 billion, which equates to 9% growth for the year. Starting in 1978 with 32.6 billion units and going through 2018, the compound annual growth rate for semiconductor units is forecast to be 9.1%, a solid growth figure over the 40-year span. [..] In 2018, O-S-D devices are forecast to account for 70% of total semiconductor units compared to 30% for ICs.
  4. ↑ “13 Sextillion & Counting: The Long & Winding Road to the Most Frequently Manufactured Human Artifact in History”. 《Computer History Museum》. 2018년 4월 2일. 2019년 7월 28일에 확인함.
  5. ↑ “Gallium nitride semiconductors: The Next Generation of Power | Navitas” (미국 영어). 2021년 3월 19일. 2023년 5월 2일에 확인함.
  6. ↑ “What is GaN? Gallium Nitride (GaN) Semiconductors Explained”. 《Efficient Power Conversion》. 2023년 5월 2일에 확인함.
  7. ↑ Souk, Jun; Morozumi, Shinji; Luo, Fang-Chen; Bita, Ion (2018년 9월 24일). 《Flat Panel Display Manufacturing》. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-119-16134-9.
  8. ↑ Hendrik Purwins; Bernd Barak; Ahmed Nagi; Reiner Engel; Uwe Höckele; Andreas Kyek; Srikanth Cherla; Benjamin Lenz; Günter Pfeifer; Kurt Weinzierl (2014). 《Regression Methods for Virtual Metrology of Layer Thickness in Chemical Vapor Deposition》. 《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》 19. 1–8쪽. doi:10.1109/TMECH.2013.2273435. S2CID 12369827.
  9. ↑ “8 Things You Should Know About Water & Semiconductors” (미국 영어). 《China Water Risk》. 2013년 7월 11일. 2023년 1월 21일에 확인함.
  10. 1 2 3 Yoshio, Nishi (2017). 《Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology》. CRC Press.
  11. ↑ Lei, Wei-Sheng; Kumar, Ajay; Yalamanchili, Rao (2012년 4월 6일). 《Die singulation technologies for advanced packaging: A critical review》. 《Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena》 30. 040801쪽. Bibcode:2012JVSTB..30d0801L. doi:10.1116/1.3700230. ISSN 2166-2746.
  12. 1 2 Wang, H. P.; Kim, S. C.; Liu, B. (2014). 《Advanced FOUP purge using diffusers for FOUP door-off application》. 25th Annual SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference (ASMC 2014). 120–124쪽. doi:10.1109/ASMC.2014.6846999. ISBN 978-1-4799-3944-2. S2CID 2482339.
  13. 1 2 《450mm FOUP/LPU system in advanced semiconductor manufacturing processes: A study on the minimization of oxygen content inside FOUP when the door is opened》. 2015 Joint e-Manufacturing and Design Collaboration Symposium (eMDC) & 2015 International Symposium on Semiconductor Manufacturing (ISSM).
  14. ↑ Lin, Tee; Fu, Ben-Ran; Hu, Shih-Cheng; Tang, Yi-Han (2018). 《Moisture Prevention in a Pre-Purged Front-Opening Unified Pod (FOUP) During Door Opening in a Mini-Environment》. 《IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing》 31. 108–115쪽. Bibcode:2018ITSM...31..108L. doi:10.1109/TSM.2018.2791985. S2CID 25469704.
  15. ↑ Kure, Tokuo; Hanaoka, Hideo; Sugiura, Takumi; Nakagawa, Shinya (2007). 《Clean-room Technologies for the Mini-environment Age》 (PDF). 《Hitachi Review》 56. 70–74쪽. CiteSeerX 10.1.1.493.1460. S2CID 30883737. 2021년 11월 1일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2021년 11월 1일에 확인함.
  16. ↑ Kim, Seong Chan; Schelske, Greg (2016). 《FOUP purge performance improvement using EFEM flow converter》. 2016 27th Annual SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference (ASMC). 6–11쪽. doi:10.1109/ASMC.2016.7491075. ISBN 978-1-5090-0270-2. S2CID 3240441.
  17. ↑ Benalcazar, David; Lin, Tee; Hu, Ming-Hsuan; Ali Zargar, Omid; Lin, Shao-Yu; Shih, Yang-Cheng; Leggett, Graham (2022). 《A Numerical Study on the Effects of Purge and Air Curtain Flow Rates on Humidity Invasion Into a Front Opening Unified Pod (FOUP)》. 《IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing》 35. 670–679쪽. Bibcode:2022ITSM...35..670B. doi:10.1109/TSM.2022.3209221. S2CID 252555815.
  18. ↑ Lin, Tee; Ali Zargar, Omid; Juina, Oscar; Lee, Tzu-Chieh; Sabusap, Dexter Lyndon; Hu, Shih-Cheng; Leggett, Graham (2020). 《Performance of Different Front-Opening Unified Pod (FOUP) Moisture Removal Techniques With Local Exhaust Ventilation System》. 《IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing》 33. 310–315쪽. Bibcode:2020ITSM...33..310L. doi:10.1109/TSM.2020.2977122. S2CID 213026336.
  19. ↑ Ernest Braun; Stuart MacDonald (1982). 《Revolution in Miniature: The History and Impact of Semiconductor Electronics》. Cambridge University Press. 11–13쪽. ISBN 978-0-521-28903-0. 다음 값 잘못됨: |이름목록형식=amp (도움말)
  20. 1 2 Huff, Howard; Riordan, Michael (2007년 9월 1일). 《Frosch and Derick: Fifty Years Later (Foreword)》. 《The Electrochemical Society Interface》 16. 29쪽. doi:10.1149/2.F02073IF. ISSN 1064-8208.
  21. ↑ US2802760A, Lincoln, Derick & Carl J. Frosch, "Oxidation of semiconductive surfaces for controlled diffusion", issued 1957-08-13
  22. 1 2 3 Frosch, C. J.; Derick, L (1957). 《Surface Protection and Selective Masking during Diffusion in Silicon》 (영어). 《Journal of the Electrochemical Society》 104. 547쪽. doi:10.1149/1.2428650.
  23. ↑ Moskowitz, Sanford L. (2016). 《Advanced Materials Innovation: Managing Global Technology in the 21st century》. John Wiley & Sons. 168쪽. ISBN 978-0-470-50892-3.
  24. ↑ Christophe Lécuyer; David C. Brook; Jay Last (2010). 《Makers of the Microchip: A Documentary History of Fairchild Semiconductor》. MIT Press. 62–63쪽. ISBN 978-0-262-01424-3.
  25. ↑ Claeys, Cor L. (2003). 《ULSI Process Integration III: Proceedings of the International Symposium》. The Electrochemical Society. 27–30쪽. ISBN 978-1-56677-376-8.
  26. ↑ Lojek, Bo (2007). 《History of Semiconductor Engineering》. Springer Science & Business Media. 120쪽. ISBN 9783540342588.
  27. ↑ US 3025589 Hoerni, J. A.: "Method of Manufacturing Semiconductor Devices” filed May 1, 1959
  28. ↑ US 3064167 Hoerni, J. A.: "Semiconductor device" filed May 15, 1960
  29. ↑ Ligenza, J. R.; Spitzer, W. G. (1960년 7월 1일). 《The mechanisms for silicon oxidation in steam and oxygen》. 《Journal of Physics and Chemistry of Solids》 14. 131–136쪽. Bibcode:1960JPCS...14..131L. doi:10.1016/0022-3697(60)90219-5. ISSN 0022-3697.
  30. ↑ Deal, Bruce E. (1998). 〈Highlights Of Silicon Thermal Oxidation Technology〉. 《Silicon materials science and technology》. The Electrochemical Society. 183쪽. ISBN 978-1566771931.
  31. ↑ Lojek, Bo (2007). 《History of Semiconductor Engineering》. Springer Science & Business Media. 322쪽. ISBN 978-3540342588.
  32. ↑ Bassett, Ross Knox (2007). 《To the Digital Age: Research Labs, Start-up Companies, and the Rise of MOS Technology》. Johns Hopkins University Press. 22–23쪽. ISBN 978-0-8018-8639-3.
  33. ↑ Atalla, M.; Kahng, D. (1960). 《Silicon-silicon dioxide field induced surface devices》. 《IRE-AIEE Solid State Device Research Conference》.
  34. ↑ 《1960 – Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated》. 《The Silicon Engine》 (Computer History Museum). 2023년 1월 16일에 확인함.
  35. ↑ KAHNG, D. (1961). 《Silicon-Silicon Dioxide Surface Device》. 《Technical Memorandum of Bell Laboratories》. 583–596쪽. doi:10.1142/9789814503464_0076. ISBN 978-981-02-0209-5.
  36. ↑ Lojek, Bo (2007). 《History of Semiconductor Engineering》. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 321쪽. ISBN 978-3-540-34258-8.
  37. ↑ Motoyoshi, M. (2009). 《Through-Silicon Via (TSV)》 (PDF). 《Proceedings of the IEEE》 97. 43–48쪽. doi:10.1109/JPROC.2008.2007462. ISSN 0018-9219. S2CID 29105721. 2019년 7월 19일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
  38. ↑ “Transistors Keep Moore's Law Alive”. 《EETimes》. 2018년 12월 12일. 2019년 7월 18일에 확인함.
  39. ↑ “Dawon Kahng”. 《National Inventors Hall of Fame》. 2019년 6월 27일에 확인함.
  40. 1 2 “Remarks by Director Iancu at the 2019 International Intellectual Property Conference”. 《United States Patent and Trademark Office》. 2019년 6월 10일. 2019년 7월 20일에 확인함.
  41. ↑ Howard R. Duff (2001). 〈John Bardeen and transistor physics〉. 《AIP Conference Proceedings》 550. 3–32쪽. doi:10.1063/1.1354371.
  42. ↑ “1963: Complementary MOS Circuit Configuration is Invented”. 《Computer History Museum》. 2019년 7월 6일에 확인함.
  43. ↑ D. Kahng and S. M. Sze, "A floating gate and its application to memory devices", The Bell System Technical Journal, vol. 46, no. 4, 1967, pp. 1288–1295
  44. ↑ Farrah, H. R.; Steinberg, R. F. (February 1967). 《Analysis of double-gate thin-film transistor》. 《IEEE Transactions on Electron Devices》 14. 69–74쪽. Bibcode:1967ITED...14...69F. doi:10.1109/T-ED.1967.15901.
  45. ↑ “IEEE Andrew S. Grove Award Recipients”. 《IEEE Andrew S. Grove Award》. 전기전자공학자협회. 2018년 9월 9일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 7월 4일에 확인함.
  46. ↑ “The Breakthrough Advantage for FPGAs with Tri-Gate Technology” (PDF). 인텔. 2014. 2022년 10월 9일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2019년 7월 4일에 확인함.
원본 주소 "https://ko.wikipedia.org/w/index.php?title=반도체_소자&oldid=41226340"