반도체부터 집적회로까지

반도체란?

반도체는 전기가 잘 통하는 '도체' 와 전기가 통하지 않는 '절연체' 사이의 물질이라고 보면 된다. 전기가 통하는 성질은 저항의 크기와 관련이 있는데, 반도체의 경우 저항의 범위가 10^-6 옴/m 부터 10^7 옴/m까지 걸쳐있을만큼 넓은 범위를 아우른다.

반도체의 저항이 결정되는 것은 반도체를 이루고 있는 원자가 하나인지 두개이상인지, 또 어떤 결정구조를 이루고 있는지에 따라 달라지게 된다. 원소가 하나인 경우 원소반도체, 다른말로 진성반도체(Intrinsic Semiconductor)라고 한다. 두 종류의 원소일 경우 화합물 반도체(Compound Semiconductor)라고 하며 또 하나, 금속이 산화해서 생기는 산화물반도체(Oxide Semiconductor)가 있다.

반도체의 역사

초기 반도체는 그 유명한 패러데이(1791~1867)가 발견하였으며 금속에 온도를 올리면 전기저항이 증가하지만 반도체의 경우 온도를 올리면 오히려 저항이 감소하고 빛을 가할 경우 저항이 감소하는 것을 알게 되었다. 1920년대부터 양자역학을 통해서 반도체의 물성을 규명하려는 과학자들의 노력으로 1930년대에는 대역론(Band Theory)를 반도체에 적용하여 설명하고자 하는 노력이 있었으나 당시의 반도체는 결정이 고르지 않고 불순물이 많아서 이론을 실제로 접목시키기는 어려움이 많았다.

1940년도에 MIT에서 고순도 Ge에 미량의 불순물을 가하여 P형,N형 반도체를 만드는데 성공하고 이를통해 대역론으로 반도체 특성을 설명할 수 있게 되었다.

트랜지스터의 종류

반도체 소자의 기본인 트랜지스터(transisotr)의 종류에는 BJT(Bipolar Junction Transistor)와 FET(Field Effect Transistor)가 있다.

소자에 대한 자세한 설명은 생략하나 기본적으로 트랜지스터에서 전기가 통하는 것은 전자, 정공(hole)의 움직임으로 인하여 전도작용이 일어나는 것이며, BJT의 경우 두가지 모두가 전도작용을 하고 FET의 경우 하나만이 전도작용을 한다.

트랜지스터의 발명

트랜지스터가 발명되기 전 사용되었던 진공관은 신호를 증폭시키는데 사용된다.(신호를 증폭시키거나 잡음을 줄이는 것이 우리가 사용하는 전자통신장비의 기본 목표이다.) 이러한 진공관은 유무선 통신기기나 군용장비에는 혁혁한 공을 세웠지만 전력을 많이 소비하고 발열량이 많아 고장도 잦았다. 더군다나 1930년대에 미국의 통신수요가 증가하면서 이러한 통신장비에 사용되는 새로운 소자개발이 불가피하였다. 

새로운 반도체소자의 개발에는 AT&T 산하 벨연구소의 William Bradford Shockley(1910~1989), John Bardeen(1908~1991) , Walter Houser Brattain(1902~1987) 이 주축이 되어 진행하였으며 이들은 반도체 내부의 불순물을 도핑(doping)시키면 도핑한 물질에 따라 +전하, 또는 –전하를 갖게 되는 것을 알고 이를 이용하여 점접점(Point-Contact) Ge transistor를 만들었다. 이렇게 만든 반도체에 마이크와 헤드폰을 연결하여 증폭한 신호를 들을 수 있었고 이것은 진공관을 대체할 새로운 소자의 탄생의 순간이었다. 이들은 새로운 소자에 트랜지스터라는 이름을 붙였고, 이름에서도 알 수 있듯이 트랜지스터(Transistor)라는 이름은 이동(Transfer)+저항(rasister)에서 유래하였다.

이후 개량된 것이 점접촉형 트랜지스터보다 더 안정성이 높고 만들기 쉬운 접합형(Junction Transistor)이다.

높은 안정성과 빠른동작, 작은 전력소비, 소형화를 이루어내어 진공관을 대체하게 된 트랜지스터를 개발한 공로로 Shockley, Bardeen, Brattain 세사람은 1956년 노벨물리학상을 수상하였다.

집적회로의 발명

인쇄회로기판(PCB : Printed Circuit Board)에 회로를 구성하여 샌드위치처럼 쌓는 것이 소형화한 가벼운 전자회로였으나, 이보다 더 소형화를 이루어내고자 하는 필요성이 대두되고 있었다. 이때 발명된 새로운 기술이 마로 Jean Hoerni(1924~1997)이 개발한 planar process이다. 이전까지는 현미경 아래에서 수작업으로 트랜지스터를 일일이 연결해야 하는 것이어서 소자 특성을 충분히 발휘하기 어렵고 수율도 낮았다. 하지만 planar process는 Si wafer 위에 산화막을 형성하고, 감광물질을 말라서 mask를 이용하여 사진을 찍은 뒤 화학물질로 etching을 한 뒤 불순물을 확산하여 회로를 형성할 수 있었다. 이는 회로의 소형화와 안정성, 대량생산으로 가는 길의 시발점이었다. 

planar process를 통해서 트랜지스터의 크기는 점점 작아졌으나 이를 조립하는 것이 더욱 어려워지고 있었다. 이때 Rober Norton Noyce(1927~1990)은 planar process를 이용하여 1개의 칩 위에 여러개의 트랜지스터를 만들고, 이를 Al으로 증착하여 연결하는 IC(Integrated Circuit)을 만드는 방법을 고안하였다. 

이는 반도체 제조공정의 혁신이었으나 비슷한 시기에 좀더 앞서서 Jack Kilby(1923~2005)는 Ge 단결정 기판 위에 트랜지스터와 저항, 콘덴서를 구성하고 이를 금선으로 연결한 고체회로를 만들어 특허로 신청하였다. 이는 한 개의 기판위에 트랜지스터를 만들고 여러개의 부품을 부착한 뒤 선으로 연결한 것에 불과하였지만 회로를 축소한 것에 의의가 있었다.

먼저 특허를 제출한 Kilby와 획기적인 아이디어의 Noyce의 집적회로 특허를 둘러싼 법정투쟁은 10년 이상 계속되었고 결과적으로는 공동소유 하기로 합의하였다.