【반도체 제조 개론】 1강 - 반도체 분야와 개념 이해하기

1. 반도체의 개념

 
반도체는 상온에서 전기 전도율이 구리 같은 도체하고 애자, 유리 같은 부도체의 중간 정도인 물질이다. 가해진 전압이나 열, 빛의 파장 등에 의해 전도도가 바뀐다. 일반적으로는 규소 결정에 불순물을 넣어서 만든다. -위키 백과-
 

- 재료적 관점에서의 반도체

 
반도체는 전기전도도(전기가 통하는 정도로 재료마다 고유값이 있음) 값을 임의로 조절 가능한 물질임
 

- 전기전도도 조절 법

 
빛, 온도 >> 국소적 조절 힘듦
불순물 주입(도핑) >> 한 번 하면 바꿀 수 없음
외부전계를 인가하여 자유전자(혹은 정공)의 개수 조절 >> 반도체 소자 제작 이후에도 국소적으로 전기전도도 조절 가능!!
* 전계란 전기장을 의미함

2. 반도체 재료의 특징

 

- 실리콘의 결정 구조

 
실리콘은 14족 원소로 최외각 전자가 4개임, 이러한 실리콘은 다른 원소와 결합하는데 이때 15족 원소인 P(인)과 결합하면 (-) 형태의 N형 반도체, 13족 원소인 B(붕소)와 결합하면 (+) 형태의 P형 반도체가 된다.
이때 이러한 결합을 도핑이라고 함.
 
* 도핑은 diffusion(확산), 농도차이에 의한 이동을 이용함
 
이러한 N형 반도체와 P형 반도체를 이용해 여러 반도체 소자들을 만들어 냄
 

- 트랜지스터(Transistors)

 
반도체를 이용하여 전자신호 및 전력을 증폭하거나 스위칭하는데 사용되는 반도체 소자임
베이스(base), 이미터 (emitter), 컬렉터(collector)의 3개 전극을 갖음
접합형 트랜지스터(BJTs)와 전계효과 트랜지스터(FETs)로 구분됨
 

- 밴드갭(Band Gap), 띠틈

 
자유전자가 될 수 있는 전도대(Conduction Band)와 전자가 속박되어있는 가전자대(Valence Band) 사이전자가 존재할 수 없는 띠틈(Band Gap)이 있다. 이 밴드갭 값을 기준으로 도체,반도체,부도체를 나누는데 반도체의 경의 밴드갭 값이 중간정도 이며, 실리콘은 약 1.1eV임

일반적으로 밴드갭이 클수록 비저항이 작고 전기전도도가 매우 작아 부도체로 분류됨
 

실리콘 반도체 vs 비저항

N형, P형 도핑을 많이 할수록 전기전도도가 상승하고 비저항이 감소함
N형 반도체의 경우 자유전자 농도가 많아짐
P형 반도체의 경우 정공(전자가 비어있는 공간)의 농도가 많아짐
 

- MOSFET

 
금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터는 디지털 회로와 아날로그 회로에서 가장 일반적인 전계효과 트랜지스터임
출력 전류를 게이트의 입력 전압으로 제어하는 전압 제어 소자
트랜지스터의 대표격임
 

- CMOS 인버터 회로

 
인버터(Inverter)란? 
논리회로에서 인버터란 부정(NOT)을 행하는 회로 혹은 소자를 뜻함
1을 입력하면 0을 출력
0을 입력하면 1을 출력
 
CMOS 인버터 회로
이는 가장 기본적인 논리회로임
NMOS와 PMOS 트랜지스터로 구성되어 있음

 

- 무어의 법칙

 
마이크로칩 기술의 발전 속도에 관한 일종의 법칙으로 마이크로칩에 저장할 수 있는 데이터 분량이 18-24개월 마다 두 배씩 증가한다는 법칙
반도체의 집적도는 높이고 IC Chip 크기는 줄임
 

3. 트랜지스터 I-V 특성 곡선

 

- 트랜지스터

 
반도체를 이용해 전자신호 및 전력을 증폭하거나 스위칭하는 데 사용되는 반도체 소자
 
전류가 흐르지 않는 공간 : OFF 영역, Cut-off 영역
전류값이 증가하는 구간 : Triode 영역
전류값이 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유지되는 구간 : Saturation 영역

큰 전류의 변화를 유도할 수 있어 증폭기의 역할도 함
 

4. 트랜지스터의 종류

 

- 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction TR, BJT)

 
두 개의 PN접합이 등을 맞대고 합쳐진 형태
* PN 접합 다이오드는 전류나 전압을 정류하는 기능을 가지며 입력 전류나 전압의 크기를 크게하는 증폭은 못함
PNP형과 NPN형이 있으며 베이스(B), 콜렉터(C), 에미터(E) 3개의 전극을 가지고 있음
 
에미터 : 캐리어를 공급하는 역할을 하는 부분
베이스 : 잠깐 머무르는 곳
컬렉터 : 공급된 캐리어를 모으는 역할을 하는 부분 

 
* 공부할 때 참고
https://m.blog.naver.com/bhs2167/220937371206
 
베이스 전류의 작은 변화는 컬레터 전류의 매우 큰 변화로 나타남
* PN접합의 의미, 외부전압에 의한 에너지밴드 변화 등 이해 필요함
 

- MOS 전계 효과 트랜지스터(MOS Field Effect TR, MOSFET)

 
드레인(Drain), 소스(Source), 게이트(Gate)의 3단자로 구성
소스 : 전류를 운반하는 캐리어(전자, 정공)를 공급
드레인 : 소스에서 공급된 캐리어가 채널을 통해 들어와 다음 연결 부위로 방출됨
게이트 : 전극에 인가된 전압에 따라 소스와 드레인 사이의 전류량을 조절함
게이트 산화막 : 게이트 전압에 따라 유도되는 반도체 내의 캐리어 양을 결정함
FET는 게이트 전극에 전압을 인가하면 전계효과에 의해 전극 밑에 반도체에 영향을 주게 되어 반도체 영역에 흐르는 전류를 조절할 수 있는 소자를 의미
금속-절연층-반도체 구조에 전기장을 인가하여 반도체 표면에 전기적 채널을 생성하거나 없애서 전기전도도를 조절함
(제 3의 단자인 게이트 전압을 이용하여 소스/드레인 사이의 전류 흐름을 임의대로 조절 가능)
BJT에 비해 더 작은 구조로 제작가능하며, 게이트 단자에서 소모되는 누설전류와 전료소모가 작음, 디지털 및 아날로그 IC에 폭넓게 사용 가능함