문과생도 알아두면 쓸모있는 반도체 지식

들어가며 006

Prologue 반도체의 세계
• 반도체의 장점은 무엇일까? 011
• 반도체의 종류와 역할 013
• 반도체는 어떻게 만들어지는가? 015
• 반도체가 활약하는 분야 017

Chapter1 반도체란 무엇인가?
• 이전에 존재했던 반도체 광석 라디오부터 트랜지스터까지 020
• 반도체의 특성 온도나 불순물이 전기전도도를 향상시킨다 026
• 고순도 반도체 결정을 만들다 초크랄스키 공법으로 제작하는 잉곳 030
• 반도체에 포함된 전자 자유전자와 정공이 ‘전기의 운반책’이 되다 033
• n형과 p형 반도체 무엇을 도핑하는가에 따라 결정된다 040
• p형과 n형 반도체를 접합한 다이오드 정류기 및 검파기로 활용 044
• 다이아몬드는 반도체인가? 궁극적인 반도체가 될 가능성 048
• 화합물반도체 고속 트랜지스터 및 LED를 제작할 수 있다 051
반도체에 대해 더 알아봅시다 : 원자의 구조 055

Chapter 2 트랜지스터 제작법
• 트랜지스터를 발명한 세 남자 쇼클리, 바딘, 브래튼과 그들을 이끈 켈리의 공적 058
• 트랜지스터의 작동 원리 쇼클리가 발명한 접합형 트랜지스터 063
• 트랜지스터의 고주파화를 위한 노력 확산 기술을 사용한 메사형 트랜지스터의 등장 069
• 주인공이 실리콘 트랜지스터로 바뀌다 고온·고전압에서도 안정적으로 작동하는 장점 075
• 획기적인 플레이너 기술 IC나 LSI에 빼놓을 수 없는 기술 081
• 트랜지스터 MOSFET IC·LSI에 사용되는 현재의 주역 084
• 반도체 소자 제작법 1 반도체 기판에 회로 패턴을 정확하게 그려내는 기술 092
• 반도체 소자 제작법 2 불순물을 확산시켜 트랜지스터 제작 097
• 반도체에 대해 더 알아봅시다 : 터널 다이오드의 발명 102

Chapter 3 계산하는 반도체
• 아날로그 반도체와 디지털 반도체 계산하는 디지털 반도체 106
• nMOS와 pMOS를 조합한 CMOS 디지털 처리에 빼놓을 수 없는 회로 109
• CMOS 회로를 사용해 계산할 수 있는 구조 0과 1만으로 복잡한 계산을 할 수 있다 114
• IC와 LSI 동일한 반도체 기판상에 전자 회로를 만들다 118
• 마이크로프로세서 MPU 일본 전자식 탁상 계산기 업체의 아이디어에서 탄생하다 122
• 무어의 법칙 반도체의 미세화는 어디까지 계속될까 127
• 시스템 LSI 제작 방법 대규모 반도체를 설계하는 방법 131
반도체에 대해 더 알아봅시다: : 인텔의 역사 136

Chapter 4 기억하는 반도체
• 여러 가지 반도체 읽기 전용 ROM과 다시 쓸 수 있는 RAM 140
• 반도체 메모리의 주역 DRAM 컴퓨터 주 기억 장치에 사용 145
• DRAM의 구조 MOSFET과 커패시터를 동일한 실리콘 기판상에 제작 150
• 고속으로 작동하는 SRAM 플립플롭을 사용한 메모리 153
• 플래시 메모리의 원리 USB 메모리 및 메모리 카드에 사용 157
• 플래시 메모리의 구성 NAND형과 NOR형 162
• 유니버설 메모리를 위한 개발 DRAM이나 플래시 메모리를 대체하기 위한 차세대 메모리 167
반도체에 대해 더 알아봅시다 : 클린 룸과 먼지에 취약한 LSI 171

Chapter 5 빛·무선·파워 반도체
• 태양광을 전기 에너지로 변환하는 태양 전지 태양 전지는 전지가 아니다 174
• 발광 다이오드 LED 전기를 직접 빛으로 변환하기 때문에 효율이 좋다 182
• 청색 LED 세 명의 일본인 노벨상 수상자를 중심으로 개발 188
• 또렷한 빛을 쏘는 반도체 레이저 CD·DVD·BD 픽업 및 광통신에 사용 194
• 디지털카메라의 눈, 이미지 센서 카메라 눈으로 사용되다 201
• 무선용 반도체 mm파 영역대의 전파도 증폭시킬 수 있는 반도체 205
• 산업 기기에 널리 사용되는 파워 반도체 고전압에서 동작하는 반도체 210
반도체에 대해 더 알아봅시다 : 빛 에너지 215

‘생각하는’ 역할을 담당하는 반도체를 디지털 반도체라고 부릅니다. 컴퓨터는 사람의 두뇌를 지원하는 기계입니다. 예를 들어 복잡한 계산을 하거나, 많은 정보를 기록하지요. AI(인공지능)도 컴퓨터라는 박스에 들어가 있는 반도체에 의해 작동합니다. 이렇게 계산을 하고, 기억하는 것이 디지털 반도체의 중요한 역할입니다. CPU나 마이크로컴퓨터 또는 프로세서라는 단어를 들어본 적이 있나요? 이들은 반도체의 ‘생각하는’ 기능을 활용한 제품입니다. 또한 ‘기억하는’ 기능을 사용한 제품을 ‘메모리’라고 부릅니다. 예를 들어 기계를 사람으로 비유하면, 반도체는 두뇌와 신경의 역할을 수행합니다.
Prologue 반도체의 세계

반도체를 제조하는 공정은 크게 세 부분으로 나눌 수 있습니다. 첫 단계는 설계 공정인데, 이 단계에서는 어떤 기능을 가진 반도체를 제조할 것인지 컴퓨터로 설계합니다. 이 설계 과정에는 전용 EDA(Electronic Design Automation)라고 불리는 소프트웨어를 사용합니다. 이 소프트웨어에는 매우 고도의 기술이 적용되었기 때문에 고가의 사용료를 지불해야 하지요. 그다음은 전공정 단계입니다. 이 단계에서는 둥근 실리콘 웨이퍼 판 위에 설계한 회로의 패턴을 만들어 넣습니다. 사진 기술을 응용한 포토 리소그래피라는 기술이 적용되며, 최신 제품인 경우에는 10nm(1mm의 10만 분의 1)라는 매우 작은 구조로 제작합니다. 반도체의 회로 패턴은 인간이 만든 구조물 중에서 가장 미세한 것이라고 할 수 있습니다. 마지막은 후공정 단계입니다. 이 단계에서는 실리콘 웨이퍼상의 IC칩을 분할해서 패키지라고 하는 부품에 조립합니다.
Prologue 반도체의 세계

금속 바늘에서 광석 방향으로는 전류가 흐르기 쉽지만, 반대로 광석에서 금속 바늘 방향으로는 전류가 흐르기 어렵다(그림 1-1 (b))는 성질이 있습니다. 이 성질을 가리켜 정류 특성이라고 하는데, 이것은 반도체의 특징 중 하나입니다. 정류 특성에서 전류가 흐르기 쉬운 방향을 순방향, 전류가 흐르기 어려운 방향을 역방향이라고 합니다. 다시 말해 순방향은 전기 저항이 낮고, 역방향은 높습니다.
Chapter 1 반도체란 무엇인가