오피니언

칼럼

도대체 반도체가 뭐길래?

반도체 IC 논리 처리 장치와 메모리

미시 세계에서 찾는 첨단 기술의 비밀

대한민국 경제의 핵심 축을 담당하는 삼성전자와 SK하이닉스의

광주·전남 반도체 공장 투자 계획이 연일 화제입니다.

정부와 기업이 힘을 합쳐 이토록 대대적인 홍보를 하는 이유는

반도체가 현대 인류 문명을 움직이는 가장 중요한 열쇠이기 때문입니다.

그렇다면 반도체는 도대체 어떤 물질이며, 어떤 원리로 작동하는 걸까요?

흔히 전기가 반쯤 통하는 물질로 알려져 있지만,

그 이면에는 우주를 구성하는 원소의 규칙성과 전자의 신비로운 움직임이 숨어 있습니다.

주기율표의 격자판 속에서 탄생해

현대 전자공학의 기적이 된 반도체의 정체를 본질부터 깊이 있게 들여다보겠습니다.

1. 반도체의 개념 정리

반도체는 원소주기율표상 14족에 해당하는 물질입니다. 우주에는 118가지 물질이 있습니다.

그 물질은 원소주기율표에 정리되어 있습니다.

원소주기율표에는 물질의 성질이 정해지는 기본 원리가 들어 있습니다.

물질을 분해해 들어가면 분자가 나옵니다.

분자는 원자로 구성됩니다. 원자는 원자핵과 전자로 구성됩니다.

물질의 물성을 결정하는 데는 전자(Electron)의 작용이 중요합니다.

물질은 전자의 숫자를 기준으로 분류합니다. 수소는 전자가 1개 입니다.

헬륨은 2개이고 탄소는 6개 입니다.

산소는 8개 이고 반도체 규소는 14개 입니다.

전자수가 바로 원자번호 입니다.

원소주기율표는 소련의 멘델레예프(Mendeleev)가 만든 물질의 분류표로서

*가로 7 주기와 세로 18족*으로 구성되는 격자표(Matrix) 입니다.

그 격자표 상에 반도체인 원자번호 14 규소(Silicon, 2주기)와 동 32 저마늄(Germanium, 3주기)이 있습니다. 원소주기율표는 복잡하므로 그림을 보면 이해가 다소 쉽습니다.

반도체(Semi-conductor)는 전기가 통하지 않지만(절연체), 특별한 조치를 가하면 전기가 통하는(도체) 물질입니다.

반도체(半導體)는 50:50의 도체와 절연체의 의미가 있지만, 실제는 준도체(準導體)인 셈입니다.

실리콘(규소)은 모래 속에 있습니다. 규소(硅素)와 산소가 결합되면 모래가 됩니다.

반도체용 규소는 모래에서 채취합니다.

태양계 행성 지구 전체에는 철(Fe, 약 32~35%), 산소(O, 약 30%), 규소(Si, 15%) 원소(元素, 한 종류의 원자로만 이루어진 물질의 기본 단위) 들이 있습니다.

규소가 바로 반도체 소재로 쓰입니다.

규소는 절연체로서 전기가 통하지 않는데 어떤 특별한 조치를 하면 전기가 통하나요?

이를 알려면 전자의 물성을 알아야 합니다.

2. 전자의 물성

전자는 원자핵을 중심으로 하여 원소 내에서 구름처럼 회전합니다. 구름처럼 회전한다는 것은 정원(正圓) 궤도가 아니고 구름처럼 들쭉 날쭉 구(球)의 형상으로 3차원적 회전을 한다는 것입니다.

이렇게 구름처럼 회전하며 도는 전자의 궤적은 그 위치의 확률을 나타냅니다.

전자의 확률적 위치는 양자 역학에서 설명 합니다.

그러나 그 회전에는 규칙성이 있습니다. 전자의 회전 궤적(Orbital)은 S Orbital 전자수 2개,

P Orbital 전자수 6개, D Orbital 전자수 10개 순으로 배치 됩니다.

여기서부터 복잡해 집니다.

전자의 회전 위치 정수는 Shell(껍질)로 순차를 정하여, 그 숫자가 규칙적으로 증대되면서

회전 합니다.

제 1 K Shell 전자 정수 2개, 제 2 P Shell 전자 정수 8개, 제 3 D Shell

전자 정수 18개 순으로 채워져 회전 합니다.

이 숫자 계산은 복잡 합니다. 세밀한 주의력을 기울려야 합니다.

그림으로 설명합니다. 그림 속에 설명이 정리되어 있습니다.

원소 주기율표 상에서 1~2 족은 S(Sharp) Orbital 전자 수 2개 입니다.

13~18족은 P(Principal) Orbital 전자수 6개 입니다.

3~12족은 D(Diffuse) Orbital 전자수 10 개 입니다.

S(2), P(6), D(10) Orbital이 있습니다.

주기율표에서 보면 S Orbital에 2종류의 물질이 있고, P Orbital에 6개의 물질이 있습니다.

D Orbital에 10개의 물질이 있습니다. Orbital의 전자 정수는 주기율표 내 물질의 수량에 의하여 계산 되었음을 알 수 있습니다. 2+10+6=18로서 세로 족의 숫자 입니다.

Orbital과 달리 Shell의 전자 정수는 그 Shell에 포함된 Orbital의 전자수를 합한 것입니다.

K Shell=S Orbital 2개 입니다. L Shell=S Orbital+P Orbital=2+6=8개의 전자 정수를 가집니다. M Shell=S Orbital+P Orbital+D Orbital=2+6+10=18개의 전자 정수를 가집니다.

전자의 회전 정수는 Shell(전자 껍질)에 의합니다.

제일 안쪽 K Shell 전자 정수는 2개, 그 다음 L Shell 전자 정수는 8개,

또 다음 M Shell 전자 정수는 18개 입니다.

그림: 전자의 Orbital(궤적)과 Shell(껍질) 전자 수 결정 원리 설명

그 Shell 숫자의 배정은 원자번호수에 의합니다.

원자번호 1 수소는 제 1 K Shell에 1개의 전자를 가집니다. 제 1 K Shell 정수 2개에 1개가 모자라는 것입니다.

원자번호 2 헬륨은 제1 K Shell 2개의 전자 정수를 모두 채웁니다.

원자번호 10 네온(Ne)은 제 1 K Shell 2개, 제 2 L Shell 8개 합계 10개로 전자 정수를 채웁니다. 원자번호 36 크립톤(Kr))은 제 1 K Shell 2개, 제 2 L Shell 8개, 제 3 M Shell 18 개 합계 36개의 전자 정수를 채웁니다.

전자 정수는 *2, 8, 18*의 순으로 증대 됩니다. 제 4 N Shell 이상은 생략합니다.

이제 반도체를 설명합니다.

장황하게 설명하는 이유는 반도체의 물성이 원소주기율표상 Orbital과 Shell에 의하여 결정되기 때문입니다.

원자번호 14 Silicon은 K Shell 전자 정수 2개, L Shell 전자 정수 8개를 채우고,

M Shell에 나머지 4개, 합계 14개의 전자를 가집니다.

3. Octet rule

Silicon의 제 3 M Shell에 있는 4개의 전자(최외각 전자)는 그 상태가 불안정 합니다.

따라서 그 불안정한 상태를 안정적인 상태로 만들기 위하여, 최외각 전자수(제 3 M Shell의 전자수) 4개를 이웃한 전자의 정수 4개와 공유결합 하여서, 안정적인 상태로 만듭니다.

안정적이면 전기가 통하지 않는 절연체가 되는 것입니다.

당해 Silicon의 전자수 4개와 이웃 4방향 공유 전자수 4(1+1+1+1=4)개로,

8(4+4)을 만드는 물성을 *Octet rule*이라고 합니다.

4. Silicon의 Doping

절연체 원자번호 14 Silicon에 원자번호 15 인(P)을 혼합하면, 혼합 후 Silicon의 최외각 전자는 이웃과 공유하는 물성을 버리고 혼합된 인의 최외각 전자와 공유결합을 합니다.

이 경우 *4+5=9(8+1)*로서 Octet rule를 충족하고도 1개의 전자가 남게 됩니다.

이런 1개의 남는 전자를 *자유 전자(Free Electron)*라고 합니다.

이 1개의 자유 전자는 Silicon과 인의 혼합체 내에서 자유롭게 움직입니다.

이 자유전자가 절연체 Silicon의 물성을 도체로 만드는 것입니다.

이런 조작을 *Doping* 이라고 합니다. 인을 Doping 하여 도체가 된 Silicon을

*N(Negative)형 반도체*라고 합니다.

Silicon의 Doping을 그림으로 설명합니다.

그림 속 N-Type에서 Silicon의 전자 격자(Si) 가운데 물질 인(P)이 있고

그 전자(-)가 상하좌우로 4개가 조그맣게 보이며 나머지 하나의 전자(자유전자)도 있습니다.

이처럼 인의 남는 하나의 자유전자가 Doping된 Silicon의 물성을 도체로 만드는 것입니다.

이번에는 Silicon에 원자번호 13 알루미늄(Al)을 Doping하면, 그 최외각 Orbit는 4+3=7(8-1)개의 전자가 되어 Octet rule에 1개가 모자라게 됩니다.

그림에서 P-Type입니다. 상세 내용은 N-Type을 참조하면 됩니다.

이렇게 모자라는 전자 1개의 자리를 Hole(정공)이라고 부릅니다.

Doping Silicon의 Hole 자리는 양극(+)의 물성을 가집니다.

이 양극의 Hole로 이웃한 전자가 이동을 하고,

그 빈자리는 또 이웃한 전자가 움직이므로 연쇄적인 전자의 흐름이 생기게 되는 것입니다.

이렇게 알루미늄을 Doping 하여 전기가 흐르게 된 Silicon을 P(Positive)형 반도체 이라고 합니다.

요즘은 알루미늄(Al, 15) 대신에 붕소(B, 5)를 사용합니다. 그 전자 정수는 2+3으로서

역시 최외각 Shell에 3개의 전자를 가집니다. 작동 원리는 알루미늄의 경우와 같습니다.

N형과 P형을 접합한 *NPN 접합과 PNP 접합*을 이용하여 MOSFE(금속 산화막 전계) 트랜지스터를 만듭니다.

반도체는 Silicon 이외에 저마늄(Germanium, 32)도 있습니다. 그 전자 정수는 *2+8+18+4=32* 입니다. 최외각 전자 4개가 Doping을 받아서 도체가 되는 원리는

Silicon(Si)과 같습니다. 그러나 요즘은 저마늄(Ge)을 잘 사용하지 않습니다.

5. 트랜지스터 스위치

반도체로 만드는 논리회로 IC(Integrated Circuit, 집적회로)에 전기가 통하게 하려면, 전기를 단속(斷續, On or Off)시키는 스위치(Switch)가 필요합니다. 그 스위치의 종류는 복잡합니다.

여기서는 그 원리를 가장 쉽게 이해할 수 있는 MOSFE Transistor(MOSFET)를 설명합니다.

*MOSFET은 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor의 약어*로서,

*금속 산화물 전계 효과 트랜지스터* 입니다. 금속 산화물(Metal Oxide)의 단전(Off) 기능과, NPN 혼합 Doping 반도체 전계 효과(PE)의 통전(On) 기능으로 스위치 역할을 하는 TR 입니다.

그 작동 원리는 그림을 보면 쉽게 이해가 됩니다.

MOSFET는 NPN Doping Silicon 접합 반도체 기판 위에, Metal Oxide 절연판을 결합하여 만듭니다. 절연판에 Gate(열쇠), N형 Doping Si(실리콘)에 Source와 Drain을 각각 설치합니다.

Gate(작동 열쇠 장치), Source(전기 Input 장치), Drain(전기Output 장치)이 작동을 주도합니다. Gate를 On 시키면 Switch On이 되고, Gate Off 시키면 Switch Off가 됩니다.

그 작동 원리는 그림 속에 설명되어 있습니다.

6. Integrated Circuit 제작

MOSFET Switch로 반도체 IC에 전기를 On or Off 시키는 길을 열었습니다.

이제 반도체 IC에 디지털 논리 회로를 장착해야 합니다.

디지털 논리 회로의 핵심 장치는 ALU(Arithmetic & Logic Unit) 입니다. ALU는 AND, OR, NOT, XOR 등의 논리 Gate를 이리 저리 연결하여 만듭니다.

논리 게이트를 연결하려면 전기가 통하는 Switch(MOSFET)가 있어야 하고, 동 스위치와 게이트 회로를 IC Chip에 장착해야 합니다.

반도체 IC Chip은 나노 단위(십억 분의 1) 두께 입니다. 이 눈에 보이지도 않는 Nano IC Chip에 ALU 회로를 그려 넣으려면 특수한 장비가 있어야 합니다.

*EUV(Extreme Ultra-Violet, 극자외선) 노광 장비*를 이용하여 특수한 원리로 ALU Circuit를 그려 넣는 것입니다.

일반적인 전선 연결로는 안 됩니다. 또한 일반적인 광선도 안 됩니다.

오직 *극자외선 이라는 광선의 반사 작용*을 이용하여야 가능합니다.

그리고 IC Chip 사이는 특수한 물질로 단절을 시켜야 합니다.

*회로 그려 넣기와 회로 간 단절 공정*은 지극히 어렵습니다.

설명하기도 어렵고 이해하기도 어렵습니다.

이 EUV 장비는 Netherland의 ASTM에서 만듭니다. 연간 생산 능력이 7~8 대 정도 입니다.

삼성전자, TSMC와 Intel은 ASTM의 주주 회사 입니다.

EUV로 CPU, GPU와 Memory 장치의 나노 단위 논리 회로를 만듭니다.

삼성전자, SK Hynix, TSMC, Intel, NVIDIA 등 첨단 IT& AI 회사들이,

반도체 IC와 Computer & AI 산업을 주도하고 있습니다.

지금까지도 어려운데, 이상 더 상세한 내용은 너무나 복잡한 회로 이론으로서, 디지털 논리회로 전공 분야의 골격 지식입니다.

그 내용 모두를 몰라도 *반도체, Doping, NPN, PNP, MOSFET, EUV 이용 디지털 논리회로 구성*만 이해하면 컴퓨터, 노트북, 스마트폰, 태블릿과 AI를 이해하는 데는 충분합니다.

7. 조합 논리회로

지금까지 길게 살펴본 반도체 Doping Silicon의 물성을 이용하여, 컴퓨터의 CPU(GPU, AI System 포함)가 인간이 시키는 일(Task)을 합니다.

그 일은 조합논리회로와 순차논리회가 담당합니다.

조합논리회로는 입력 정보에 의하여 출력 정보가 결정되는 논리회로 입니다.

그 종류를 살펴 봅니다.

1) 인코더(Encoder): 모니터의 문자 판이나 센서 등으로부터 들어온 신호를 컴퓨터에서 처리 가능한 2진 코드로 변환합니다.

*8x3 인코더*는 8개의 Input 정보를 받아서 3단위(Bit) 코드 8개를 만듭니다.

*D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7* 8개를 입력 받아서

3Digit *000, 001, 010, 011, 100, 101, 110,111* 8개의 코드를 만듭니다.

2) 디코더(Decoder): CPU가 받은 명령어를 2진 코드로 해석합니다.

그 코드의 종류는 다음과 같습니다.

*3x8 디코더*는 3비트로 된 명령어 8가지를 해석해 냅니다. 명령어 *000은 ADD* 즉 가산기(Full Adder)의 덧셈 명령어 입니다. *100 코드*를 받아서 *AND 명령어*로 해석해 냅니다. *101 코드*를 받아서 *OR 명령어*로 해석해 냅니다. 나머지 NOT, XOR 등도 원리는 같습니다.

3) 멀티 플렉서(Multiplexer, MUX): ALU의 연산은, 입력 데이터나 메모리에서 불러온 데이터를 사용하여 연산을 하는 기능입니다.

예를 들면 *메모리에 저장되어 있는 1010 데이터*를 불러와서 *입력하는 1000 데이터를 더하라(ADD)* 명령을 수행할 때, 그들 데이터를 불러와 ALU에 넣어주는 기능을 MUX가 담당합니다.

여러 데이터 중에서 연산에 필요한 특정 데이터만 선택하여 ALU로 보내는 기능입니다.

4) Adder: 가산기 입니다. 단 단위를 가산하는 Adder와 다 단위를 가산하는 Full Adder로 구성 됩니다.

5) ALU(Arithmetic & Logic Unit): 논리 연산을 담당합니다.

6) CU(Control Unit): 연산 명령어를 불러와서 ALU, CU, Decoder 등의 연산과 작동을 통제 합니다.

이들 외에도 De-MUX 등 다양한 조합 논리 회로가 있습니다.

컴퓨터 지식도 Hardware, Software, Network, Database, Security, OS(Operating System), Memory, Virtual Reality 등 다양한 지식이 있습니다. 그런 지식은 이런 핵심 사항을 잘 이해하면 다음 기회에 쉽게 공부할 수가 있습니다.

8. 순차 논리 회로

순차 논리 회로는 조합 논리 회로에 Memory & Storage(저장 및 저장 상태 유지)회로를 합친 논리 회로 입니다.

조합 논리 회로는 이미 설명을 했기 때문에 Memory & Storage 회로만 설명 합니다.

1) 플립 플롭(Flip-Flop): 1 비트의 정보를 유지할 수 있는 최소 단위의 Memory 회로 입니다.

전원이 공급되는 동안 Memory 상태를 유지합니다.

2) 레지스터(Register): 플립 플롭을 여러 개 묶은 형태로, ALU가 연산 중인 데이터를 가장 빠르게 저장하고 Read 해주는 메모리 입니다.

뒤에 나오는 RAM은 좀 느리기 때문에, ALU가 연산 중간 데이터를 레지스터에 저장해 놓고 불러와서 신속하게 연산을 완료하는 것입니다.

이 이외에 레지스터는 Buffer 레지스터, Program Counter, General Purpose Register 등 아주 다양하게 사용됩니다. 컴퓨터 속 약방의 감초 라고도 불립니다.

3) RAM(Random Access Memory): 플립 플롭과 논리 회로의 조합으로 구성되어, 실행 중인 프로그램과 데이터를 저장합니다.

그러나 이 Memory는 전기가 꺼지면 동시에 사라집니다.

이런 Memory를 휘발성(Volatile) 메모리라고 합니다.

휘발성 이기 때문에 특별한 조치를 하여야 데이터를 오래 저장할 수 있습니다.