1강 반도체란 무엇인가?ㅣ특집 반도체개론 #클래스e #황철성 #김상범 #전동석 #박민혁

[음악] [박수] [음악] PR [음악] ha 예 EBS 클래스 2 반도체 특집 시청자 여러분 안녕하십니까 서울대학교의 황철성 교수입니다 자 오늘 1강 반도체란 무엇인가부터 시작해서 어 25강 25번 강의에 걸쳐서 저와 그리고 다른 교수님들과 함께이 반도체에 대해서 공부를 해 보겠습니다 반도체 관련 업계에서 일을 하시는 분들이 시작을 하실 때나 또는 일을 하시면서 어이 반도체에 대해 새롭게 정부 공부를 해 봐야 되겠다라고 생각하시는 분들을 대상으로 본 강의를 준비를 했습니다 25개의 강의이기 때문에 거의 대학에서 이제 한 학기 동안 강의하는 내용이라고 보시면 되는데 각 분야의 전문가가 강의를 하는 것이 좋을 것 같아서 저 저를 비롯해서 여기 김상범 교수님 전동석 교수님 박민혁 교수님 이렇게 해서 저를 포함한 네분의 교수님들이 강의를 하실 예정입니다 그래서 제가 일반적으로 반도체가 무엇인가에 대해서 오늘 좀 소개를 드릴 거고요 그다음에 그 김상범 교수님께서 이어 받으셔 갖고 여기 보시는 것처럼 반도체 기본 요소 및 회로에 대해서 간략하게 강의를 해주실 겁니다 그리고 본격적으로 이제 그 비메모리 반도체 또 시스템 반도체라고 하는이 로직 소자 로직 반도체에 대해서 강의를 해주실 거고 그다음에 제가 이제 현재 우리나라에서 가장 많이 생산 되고 있는 메모리 예 디램과 랜드 플래시에 대해서 강의를 할 예정입니다 그리고 해 받아서 우리 박민혁 교수님께서 차세대 메모리에 대한 강의를 하실 겁니다 그렇게 하면은 반도체를 만드는 방법에 대해 설명을 하겠습니다 그래서 그 분야는 리 김상범 교수님과 박민혁 교수님께서 다뤄 주실 텐데요이어서 미래 반도체 요즘 그 AI 반도체 이이 많이 나오죠 특히 최근에 그 책 GPT 뭐 이런 것들이 나와서 그런 것이 무엇인가에 대한 설명을 좀 드리겠습니다 그리고 나서 조금 시사적인 면에서 마무리를 하 하는 식으로 본 강의를 구성을 했습니다 그래서 먼저이 반도체가 무엇인가에 대해서 일반적인 설명을 좀 드리겠습니다 반도체란 말은 원래는 그 물질을 의미합니다 좁은 의미로는 도체와 부도체의 중간적인 성질을 가지는 물질을 의미합니다 도체는 전기가 통하는 걸 말하는 거고요 도체는 전기가 통하지 않는 걸 의미하는 겁니다 그래서 여러분 전선의 가운데는 전기가 통하는 구리로 된 도선이 있고 그 도선과 도선을 절연을 해야지 우리가 안전하게 쓸 수 있잖아요 그래서 바깥에 피복이 이제 대표적인 부도체 있니다 전기가 반만 통하는 것인가 뭐 그런 생각을 해 볼 수가 있는데 실제로 반도체 소자는 조금 다른 의미로 쓰입니다 제가 어 오늘 강의를 통해서 그게 어떤 의미를 가지는지를 자세히 설명을 드릴 생각이고요 우리가 보통 근데 이제 반도체 제품 반도체 소자라고 하는 것은 그런 물질보다는 넓은 의미로 쓰이고 있습니다 그래서 도체 반도체 부도체의 조합으로 어떤 그 특정한 목적을 위해서 제작된 칩이나 회로를 되게 말을 합니다 그래서 제품의 형태로 보이는 걸 흔히 이제 반도체라고 하고 우리가 많이 관심을 가지고 있는 거라고 생각하실 수가 있는 거죠 반도체 칩에 제품의 의미에서 보면 반도체를 크게 이렇게 여기이 화면에 보이는 것처럼 시스템 반도체 그리고 메모리 반도체 이렇게 크게 나눠 볼 수가 있습니다 잘 아시는 것처럼 우리나라는 이제이 메모리 반도체를 잘 만드는 메모리 반도체 강국이 어 시스템 반도체는 여기 보시는 것처럼 굉장히 다양한 제품을 가지고 있어서 시스템 반도체라는 용어보다는 어쩌면은 비메모리 반도체라고 이야기하는 것이 좀 더 이해가 쉬울 수도 있겠습니다 우리가 이제 반도체 히 정보를 다루는 거잖아요 그럼 정보를 다룬다고 하는 거는 정보를 처리하는 것이 있고 그다음에 처리된 정보를 저장하는 것이 있습니다 그래서이 시스템 반도체라고 하는 거는 정보를 처리하는데 해당하는 해당하는 겁니다이 여기 보면 뭐 이렇게 여러 가지 어 제품과 기능을 가지고 있는데 조금씩 설명을 드 드려 보면 여기 이제 에이직이라고 하는 것이 있는데요 이거는 어떤 특정 목적을 위해서 만들어진 특정 연산을 하기 위해서 만들어진 반도체를 말합니다 어 그에 비해서 이제 SOC 하는 것은 어 시스템 on 칩이라고 해서 굉장히 다양한 기능을 가지는 반도체를 하나의 칩에 이제 모아 놓은 것이고요 가장 대표적인 것이 여러분 매일 쓰시는 휴대폰에 들어가 있는 ap 애플리케이션 프로세서라고 하는 것이 가장 대표적인 SOC 되겠습니다 어 그리고 이제 lsi 하는 말 말은 사실은 집적도가 높은 칩이다 뭐 그런 의미인데요 어이 시스템 반도체는 에직 SOC lsi 등 여러 가지에 제품이 있고요 이게 이제이 메모리 반도체에 비해서 집적도의 측면이나 어 기능의 측면이나 성능의 측면에서 굉장히 다양합니다 그래서 흔히 시스템 반도체가 어 반도체 시장의 70% 가지고 있다라고 얘기를 하긴 하지만 각각을 잘라 보면은 상당히 이제 파편화돼 있는 그런 반도체 시장 이라고 생각하실 수가 있겠습니다이 정보를 처리를 하면은 처리된 정보를 이제 어딘가에 저장을 해야 되겠죠 저장하는 반도체를 이제 메모리 반도체라고 하고 크게 보면 롬과 램이 있습니다 여기 용어는 좀 비슷한데 상당히 다른 의미를 가지고 있는 게요 read only 메리라는 말이고요은 랜덤 메모리라는 뜻입니다 그래서 우리가 흔히 이제 아 메모리 그러면은 이게 램을 얘기를 하는 거고 여기 특히 그중에서 램을 얘기를 하는 겁니다이 컴퓨터의 중앙 처리 연산 장치하고 직접적으로 어 정보를 주고받으면서 컴퓨팅을 하는 거고요이 컴퓨팅이 다 끝나면 연산이 끝나면 그 연산이 끝난 결과를 이제 저장하는 것이이고 가장 대표적인 것이 이제이 랜드 플래시가 되겠습니다 리드온리 메모리라고 하는 말은 어떤 면에서 보면 약간 형용 모순이죠 그러니까 정보를 저장을 해야 낼 수가 있는데 읽기만 한다라는 말은 이제 정보를 언제 저장하느라 주로 읽어내는데 쓴다 뭐 그런 의미로 이해를 하시면 될 것 같습니다 그래서이 메모리 반도체는 되게 디램 하고이 플래시 메모리 특히 랜드 플래시 메모리 두 가지가 전체 시장을 항상 이끌고 있고 우리가 보통 메모리 반도체 두 가지를 항상 얘기를 합니다 그리고 어떤 시대간에 그 두 가지 반도체는 최고 의 성능을 가지는 가장 높은 집적도를 가지는 제품을 늘 사용을 합니다 그에 비해서 시스템 반도체는 가장 뭐 요즘 여러분 들어보셨겠지만 3 나노가 어떻고 뭐 5 나노가 어떻고 이런 얘기를 막 하지 그런 최신 제품도 있지만 아주 옛날 것들 뭐 심지는 150nm 뭐 이런 것들도 여전히 사용하고 있기 때문에 굉장히 시장이 다양한 제품을 가지고 있어서 아 그 시장의 어떤 형태를 이해하고 그 시장에 진입하는 것이 상당히 이제 복잡한 그런 상황이 되겠습니다 반도체 시장 시장 점유율을 예 국가별로 나타내 주고 있는데요 여기 보면 대게 반 정도를 이제 미국이 가지고 있고 한 20% 정도를 우리나라가 가지고 있고 그다음에 대만 유럽 일본 뭐 이런 식으로 돼 있는데 여기 우리가 생각하고 일반적으로 알고 있는 어떤 상식과는 조금 다른 어 느낌을 줄 거라 생각을 합니다 요거는 어 칩을 제조해서 그 칩의 일차적인 소유권을 기준으로 나타낸 겁니다 예를 들어서 우리가 대만 그러면은 tsmc 회사가 얼른 이제 머리에 떠오르고 어 tsmc 전세계 뭐 파운더리 시장에 50% 60% 퍼를 가지고 있다 이런 얘기를 하는데 왜 대만이 10% 밖에 안 되지 이런 생각을 하실 수가 있는데 여기서는 tsmc 같이 칩을 제조해 주는 그런 의미가 아니고 대만 안에도 보면은 가령 이제 tsmc 칩을 제조를 맡긴 취의 주인 회사가 있을 거 아니에요 예를 들어서 미디어텍 뭐 이런 회 회사들입니다 그런 회사들이 가지고 있는이 시장 점유를 얘기 하는 거기 때문에 우리가 생각하는 것과 조금 다릅니다 그러니까 한국이 20%라고 하는 거는 삼성 SK 하이닉스가 만든 이제 취 왜냐면 이제 그 회사들은 칩을 만들어서 자기들이 주인이고 그 이제 파는 거니까요 그런 식으로 생각하면은 미국이 전 세계 시장의 반이다라는 것이 대충 이해가 되죠이 반도체 시장에서 굉장히 큰 손은 애플입니다 또는 퀄컴과 같은 설 회사들 이런 회사들이 이제 큰 회사들이 있기 때문에 미국이 전 세계 시장의 반을 이제 가지고 있는 것처럼 이해가 됩니다 그래서이 도표는 어떤 정확한 통계에 기반을 한 것이고 우리가 보통 생각하는 반도체 시장 점유율 또 반도체 시장 이런 것들은 어 조금 다르게 바라보시는게 좋을 것 같기도 해요 그래서 대게 이제 전체를 어 1분씩 나눠서 생각을 해 보시면 어 한 255% 정도가 메모리 시장입니다 자 그래서 그 메모리 시장의 70% 이제 우리나라 한국이 점유를 하고 있는 거고요 그 아까 말씀드린 것처럼 램하우스 거기 중요 플레이어 그요 그다음에 이제 늘 우리가 많이 얘기를 듣는 파운더리 시장이 있습니다 그 파리라고 하는 것 것은 이제 설계 회사들이 어떤 제품을 설계를 하면은 그 설계에 맞춰서 취입을 제조해 주는 회사인데 잘 아시는 것처럼 대만의 tsmc 전체 시장에 한 60% 가지고 있고 그다음에 우리나라 삼성 한 15% 가지고 있죠 그래서 그 파운더리 시장에 되겠다 한 1/4 이지면 되고요 그다음 1이 그 인텔과 같은 CPU 회사가 이제 점유를 하고 있고 그다음 1/4 1을 설계 회사들이 점유를 하고 있습니다 그래서 되게 이제네 부분 메모리 파운더리 CPU 설계 이렇게 보시면 될 거 같고 전반적인 이제이 추세는 CPU 시장은 조금씩 줄어드는 추세이고게 메모리 시장이 이제 커져가는 추세 있습니다 그래서 지금부터이 반도체가 무엇인지를 어 물질의 측면으로 측면에서 설명을 좀 드리겠습니다 그래서 아마이 실리콘이라 말은 뭐 많이 들어보셨을 것 같고요 여기 보시는 것처럼이 넓은 둥근 판이 있죠 이게 실리콘 웨이퍼 합니다 여기 보이는 가운데 보이는 거 같은이 실리콘 격자 이게 이제 유닛셀 있데요 저런 것들이 이제 굉장히 많이 반복이 되는 건데요 안에 보면은 실리콘 원자가 여덟 개가 들어가 있습니다 코너에 있는 라미를 보시면 이게 실리콘 원자 하나를 의미하는 겁니다 근데 코너에는 요런 정 각형이요 코너 하나에는 여덟 개가 있겠죠 아래에네 개 위에네 개 있으니까 그러면요 원자 하나는 18이요 유 유닛 안에 들어가 있는 겁니다 자 그럼이 코너가 몇 개 있냐면 하나 둘 셋 넷 다섯 여섯 일곱 여덟 여덟 개가 있으니까 결국은이 코너 마치 여덟 개의 원자가 있는 거 같지만 사실은요 부피 안에는 하나의 원자가 있게 되는 거죠 자 그다음 여기 보면요 면에 있는 겁니다이 면의 가운데 있는 거예요 그럼요 면은 정육면체와요 앞에 있는 정육면체가 공유를 하고 있겠죠 그럼요 면에 있는 원자 하나는 반개가 여기 들어가 있는 거죠 왜냐면 두 개의 정육면체가요 원자 하나를 공유를 하고 있으니까 그러면요 코너에 있는 것과 면에 있는 걸 합하면 일단네 개가 있습니다요 내부에 보면은 여기도 있고 여기도 있고 그다음에 여기도 있고 여기도 있어요 그래서이네 내부에네 개의 원자가 있기 때문에요 정육면체 하나 안에는 여덟 개의 원자가 있습니다 그래서 요게 이제 구조가 다이아몬드의 구조와 같은 구조를 가지고 있습니다 다이아몬드는 요게 이제 탄소로 돼 있어 가지고 이게 부도체 있데요 실리콘은 이제 반도체 이고요 요걸 더 뜯어 보면은 이렇게 실리콘 원자로 이루어져 있는데이 실리콘 우리가 주기율표에서 사가를 가지고 있기 때문에 한 실리콘 원자 주변에는 소위 가전 자가 이제네 개가 있는데요 두 개의 실리콘이 모여서 하나의 결합을 형성하기 때문에 이제 실콘 하나 주위에 마치 여덟 개의 전자가 있는 것처럼 보이지만 사실은요 두 개의 전자가요 두 개의 원자에 공유가 돼 있기 때문에 각 실리콘 당한네 개의 전자를 가지고 있는 이런 물질이 되겠습니다 그래서 이런 물질들이 아 이렇게 일정한 규칙을 가지고 공간상에 배열돼 있으면은 이걸 이제 결정이라고 하고요이 결정을 이만한 크기로 크게 만들어 놓으면 이게 소위 실리콘 단결정 웨이퍼가 됩니다요 웨이퍼 상에 우리가 원하는 모든 회로를 이제 새기고 만들면 어 이게 이제 반도체 10이 되는 거죠요 웨이퍼를 만들 때 매 먼저 만들어야 되는 것이이 소위 실리콘인 곳입니다 그래서 이거는이 웨이퍼를 만드는 공장에가 보시면은 굉장히 큰 도가니가 있어요 그래서이 큰 도가니에 저 실리콘을 액체로 녹여 놓습니다 그래서 한 1400도 이상 정도로 온도를 가열 하면서 녹는데 저기다가 이렇게 조그만 단결정 그 씨앗을 담그고 천천히 끌어올리면 회전을 시키면서 끌어올리면 여기 보시는 것처럼 이와 같은 이제 실리콘 인곳이 됩니다요 직경이 이제 300mm 웨이퍼를 만들겠다 그러 30cm 넘고요요 길이가 거의 2m에 달하는 굉장히 큰 단계 결정을 아주 천천히 성장을 시키면 불순물도 굉장히 적고 그다음에 저 큰 결정 안에 뭐 모든 원자들이 다 제자리를 찾아가는 그런 단결정이 됩니다 이게 이제 사실 상상하기가 좀 어려운게 뭐냐면은 다시 앞페이지로 한번가 보시면요 길이가 얼마쯤 되냐 면은 원자 두 개 원자 간의 간격 좀 되기 때문에 요 길이가 0.5nm 됩니다 그 나미라 하는 건 어 10의 마 9승 이니까 0. 0을 여덟 개 치고 1 이게 이제 1 나미인 아까 제가 요게 미터 단이라고 말씀을 드렸잖아요 그럼 이게 얼마나 원자가 많이 배열돼 저 크기가 만들어질지 상상이 되실 거예요 사실 상상할 수 없을 정도로 많은 원자가 여기 들어가 있는데 그 많은 원자들이 앞에 보여 드렸던 그런 실리콘 유니셀 격자 구조를 다 이루고 있는 겁니다 그래서 그렇게 결함이 없게 만드는 것이 굉장히 어렵기 때문에음 저거를 이제 키 저렇게 만들고 그다음에 저걸 다 잘라서 이렇게 웨이퍼 만 웨이퍼로 만들고 하는 것이 굉장히 고도의 기술이 이제 필요한 것이고요 이게 우리나라에 이제 실트론 같은 회사에서 어 저걸 실체 생산을 합니다 잘라 가지고 어 이렇게 이제 슬라이싱을 해서 표면을 연말을 하면은요 그림은 실제 이제이 칩이 세겨져 있는 상황이고요 세져 있기 전에 원판은 이렇게 이제 아무런 무늬가 없는 이런 원판이 만들어집니다 그래서이 원판이 이제 굉장히 판판 해서요 이게 어느 정도로 판판 하냐면은음 대강 우리 서울시 만한 면적에에 조그만 콩 하나가 튀어나와 있는 정도로 생각하시면 되겠어요 그만큼 판판한 그런 기판을 만들고 그 기판에 여러가지 공정을 통해서 이런 이제 패턴들을 만들면이 실리콘 웨이퍼상에 소자가 만들어집니다 그 요걸 다 잘라 가지고 이런 상자 안에 집어넣어서 외부 로랑 연결할 수 있게 이렇게 어 발을 달아주면 이게 이제 칩이 되는 거죠 그래서 우리가 보통 얘기하는 반도체 제품 그러면 렇게 칩을 의미하고요 되게 이제 요런 거는 소위 우리 알고 있는 소부장 소재 부품 장비 뭐 그런 데에서 이제 소재에 해당되는 거고요 그다음에 이런 소재를 잘라서 이런 웨이퍼로 만들고 웨이퍼를 가공하기 위해서 필요한 여러 가지 장비가 이제 소부 장에서 어 장 장비가 되는 것이고 그런 장비를 크게 집적을 해 가지고 큰 공장을 지어 놓은게 기흥이 또 화성 2천에 가면 볼 수 있는 큰 반도체 공장이 되겠습니다 그래서 그런 반도체 공장에서는 이런 웨이퍼 상에 요런 이제 회로들을 새기고 어 이런 작업들을 하는 거죠 그래서 이렇게 웨이퍼를 갖고 와서 이런 웨이퍼 상의 취이 필요로하는 회로 요소들을 새기는 공정을 전공정이 해요 전공정이 끝나서이 웨이퍼가 만들어지면 이걸 다시 이제 후공정 업체로 보냅니다 그 후공정 업체에서는이 웨이퍼를 여기 이제 칩 단위로 잘라 가지고 이런 그 상자 여기 보는 패키지라고 하는 건데이 상자에 집어넣고 밀봉을 합니다 왜냐하면이 웨이퍼에 세겨진이 회로들이 그냥 공개적인 노출 되면은 공기 적는 산소 뭐 수분 이런 것들과 만나 갖고 회로가 상하게 되거든요 그래서 그거를 이제 방지하고 어 그다음에이 소희 기판 PCB 하죠이 기판상에 이런 칩을 많이 이렇게 장착을 하기 위해서 이런 이제 연결 선들 가지는 패키지에 집어넣는 그런 공정을 후공정이 하고요 그 후공정 업체들이 이제 따로 있게 됩니다 지금부터 이제이 전공정에 대해서 조금 말씀을 드릴게요 전공정을 이루는 여덟 가지 공정이 서위 8대 공정이 뭔가만 간략히 설명 설명을 드리겠습니다 먼저 어 첫 번째가 이게 웨이퍼 공장이라고 돼 있잖아요 그 앞에 말씀드렸던 것처럼 실리콘 인것을 어 성장을 시키고 그걸 잘라 가지고 아주 판판하게 만드는 그런 과정을 이제 웨이퍼 공장이라고 합니다 되게 이제 300mm 웨이라 그러면 직경이 30cm 두께는게 한 1mm 쯤 됩니다이 웨이퍼가 만들어지면 이제 그거를 우리 보통 흥이나 이천에 있는 커다란 반도체 공장에 갖고 오면은 제일 먼저하는 것이 일단 깨끗하게 표면에 있는 불순물을 떨어낸 다음에이 산화 공정이라고 하는 하는데요 사실은 반도체 소자를 우리가 다 뜯어 놓고 보면은 실제로 전체 중에서 반도체로 기능하는 부분은 굉장히 작고요 대부분은 부도체 아고 도체를 조합하는 겁니다 그래서 가장 대표적인 부도체가 실리콘 옥사이드 sio2 있데 그 sio2 만들는 제일 기본적인 방법이이 실리콘 웨이퍼를 고온으로 가해를 하고 되게한 1,000도 정도로 가해를 하고 거기 산소를 불어 넣으면은 공기 중에 있는 산소와이 실리콘 웨이퍼가 결합을 해 갖고이 표면에 옥 산화막이 생깁니다 그럼이 산화막이 가장 기본적으로 실리콘 웨이퍼를 보호하면서 원하지 않는 부분에는 회로가 만들어지지 않게끔 이제 그런 역할을 하게 되는 거죠 어 이런 산화 공정을 끝내고 나 가지고 이제 포토 공정이라고 하는게 우리 이제 요즘 뭐 이유가 어떻고 굉장히 비싼 장비 얘기를 많이 들었죠 바로 그 얘기를 하는 겁니다 사진을 찍어서 패턴을 새기게 하는 겁니다 그래서이 사진을 찍는 기계가 굉장히 비싸서이 부분이 가장 이제 그 정밀하고도 비용이 많이 드는 그런 과정이 되겠습니다 그래서이 포토를 잘 하기 위해서는 굉장히 많은 그 준비 과정이 필요하고요 또이 포토 공정에 들어가는 물질 어에 많은 그 투자가 필요합니다 음에 포토를 해서 패턴을 만들었으면 그 패턴대로 실제로 실리콘 산화막이 실리콘이 또는 다음에 설명드릴 금속 물질이든 이런 것들을 깎아내는 공정이 필요해요 그래서 이걸 이제 식각 공정이라고 하고요이 식각 공정을 하고 나면은 그다음에 이제 방막 공정이라고 돼 있는데 이게 반드시 순서대로 이렇게 하만 가는 것은 아닌데이 막이라고 하는 거는 물질이 얇은 거를 방이라 그래요 특히 방막 공정 이렇게 얘기하면은 내가 원하는 물질을 하나하나 이렇게 원자 단위를 뿌리는 거를 의미합니다 뿌려서 령 늄 또는 구리 배선을 만들어야 되겠다 그러면 원자를 이렇게 이렇게 뿌려서 원한 두께에 도달할 때까지 방막을 침착하는 걸 이제 방막 공정이라고 합니다 가령 어 내가 다음에 배선 공정을 해야 되겠다 그러면은 가령 구리나 알루미늄 방막을 증착을 하고 거기에 포토 식각 공장을 반복하면 그것이 사실 이제 배선 공정이 되는 거고요 이렇게 산화 포토 식각 방막 배선 런 공정을 반복을 하면은 우리가 원하는 칩이 만들어집니다 그런 다음에 원하는 칩이 제대로 잘 만들어졌는지 이걸 테스트를 하는 것이 테스트 공정이고 테스트 공정까지 되게 이제 반도체 회사에서 할 수도 있고 또는 이거를 후공정 업체 보내서 할 수도 있습니다 웨이퍼 에베레스 테스트가 끝나면 그걸 이제 후공정 업체에서 잘라서 각각을 이렇게 패키지 안에 집어 넣으면은 우리가 보통 보는 컴퓨터를 뜯어 보면 보이는 검은 색을 가지는 그런 칩이 이제 만들어지는 겁니다 이걸 일러서 이제 흔히 8대 공정이라고 하는데 사실 요즘은 뭐 이것 말고도 굉장히 다양한 공정이 개발이 돼 있고 산화 공정이 아닌 방법으로 어 실리콘 옥사이드를 만들기도 하고 그래서 크게 보면은 8대 공정이라고 할 수 있지만 잘라 보면은 굉장히 다양한 공정이 있고요 어 지금 램을 만들려 그러면은 저런 스텝을 한 800번 정도 반복을 해야 되기 때문에 굉장히 어려운과 과정인 것이죠 [음악] 다시 이제 물질로 돌아와 가지고이 반도체가 뭔가 하는 점을 고체 물리적으로 어 설명하는 방법입니다 양자 역학 그러면은 사실 굉장히 어렵게 느껴지는데 반도체가 동작하는 원리는 양자역학의 기반을 두고 있고 특히 고체 물질에 적응된 양자역학 이론이이 반도체 기본 이론을 어 이루고 있습니다 그래서 이게 요렇게 세 가지 물질로 구별을 할 수가 있는데 앞에서 말씀드렸던 도체 그다음에 부도체 반도체 렇게 있는데 속 이제 밴드 이론으로 이걸 설명한다 요렇게만 이해를 하시면 될 거 같아요 밴드라고 하는 거는 우리 그 앞에 잠깐 설명드렸던 것처럼 전자라고 하는게 있어요 그럼 전자가 고체 안에 들어오면은 그 에너지가 다 똑같지 않고 달라집니다 그래서 에너지가 낮은 전자들이가 전자들을 꽉채우고 베일런스 밴드를 꽉 채우고 있고 그다음에이 위에 전자가 들어갈 자리 있는데 빈 밴드가 있습니다 이걸 전도라고 하는데요 가전자 꽉 차 있는 에너지 밴드와 비어 있는 밴드가 겹쳐 있는 거 요거를 도체 그럽니다이 둘 사이가 굉장히 먼 거 이게 이제 부도체 있니다요 사이가 적당한 거 이게 이제 반도체인게 얼마나 적당해야 되는가를 한번 설명을 해보면요 여기 전 뜻 있는데 여기요 빈 자리 여기는 전자가 존재할 수가 없어요 그 이제 양자 각이 아 여기는 전자 있으면 안 된다 이렇게 딱 정의를 해 놨습니다 그럼 우리가 전자가 움직이게 하려 그러면은 꽉 차 있 데선 전자가 움직일 수가 없어요 여러분 그가 만원 버스를 타면은 내가 내리기 위해 출입문까지 가기가 상당히 어렵잖아요 그걸 생각하시면 돼요 빈 자리가 있어야 전자가 움직일 수가 있는데 여기 빈 자리가 없습니다 그럼 전자가 못 움직여요 여기는 빈 버스입니다 나 혼자 빈 버스를 타고 있으면 쉽게 움직일 수 있겠죠 자 이게 이제 전도대 있니다데 문제는 여기 있는 전자가 여기 있는 어 전도대로 올라가기 위해서 에너지를 얻어야 되는데 어 에너지가 얼마나 필요하냐 생각을 해 보면은 여기 있는 전자들은 상원의 열 에너지를 가지고 있어요 그럼 그게 얼마나 되냐 하면 되게 25m 일렉트론볼트 쯤 돼요 어 그런데요 갭이 얼마냐 하면은 25m 볼트에 45배 쯤 됩니다 그래서 한 1.1v 일렉트론볼트 쯤 돼요 상원이 갖고 있는 전자의 에너지로 45배 에너지를 뛰어넘어야 되니까 이게 못 올라가는 거죠 어 이거는 그거보다 훨씬 큽니다 그 도저히 여기서 1이 전자가 갈 수가 없어요 그래서 우리가 보통 반도체라고 하면은 어 실제로는 전기가 통하지 않습니다 그런데 전기가 통하게 하려 그러면은 요런 방법을 쓰면 돼요 여기 아까 전자는네 개의가 전자를 갖고 있어 갖고 두 개씩 쌍을 이뤄서 두 실리콘 전자 사이에 존재한다고 했습니다 근데 만약에 전자를 다섯 개 갖고 있는 물질을 집어넣으면 이게 이제 포스포러스 1인데요 요녀석을 집어 넣으면은 요건 전자가 하나 더 많이 있는 물질입니다 그러면 다 쌍을 이루고도 하나 전자가 남겠죠요 전자가 쉽게 움직일 수가 있습니다 아주 흥미로운 사실은 뭐냐면은 전자가 남은 거 남는 거 말고 전자가 부족해도 되 괜찮아요 부족해도 전기가 통하게 만들 수가 있습니다 요거를 요렇게 설명을 드릴 수가 있습니다 전자가 남는 물질은 이게 이제 포스포러스 같은 건데 그거는 실리콘에 집어 넣으면은요 에너지 밴드 구조 안에요 위치에 전자가 존재할 수 있는 상태를 만들어냅니다 그러면요 간격이 얼마냐 하면은 아까 25m 일렉트론 볼로도 쉽게 어 넘어갈 수 있을 정도로 굉장히 작아요 그러면이 여분의 전자가 컨덕션 밴드로 쉽게 올라가게 되고이 컨덕션 밴드 안에서 전자 자가 쉽게 움직일 수가 있는 거죠 그래서 이런 거를 n 타입 도핑 했다 그래요 n 전자란 뜻입니다 어 반대로 전자가 부족한 물질을 도핑하면 이제 대표적인 것이 보론 같은 겁니다 그래 이제 주기율표에서 3조에 있는 건데요 여기에 빈 자리를 만들어요 빈 자리로 여기 있는 전자가 올라올 수가 있습니다 흥미로운 거는 여기 있는 빈 자리를 채운 전자는 움직이지 못해요 런데 여기 빈 자리는 쉽게 움직일 수가 있고 여기 빈 자리를 우리가 홀 또는 전공이라고 합니다 여기 있는 거를 전자 영어는 일렉트론 이렇게 얘기를 하는 거죠 반도체가 아주 흥미로운 것이 두 가지 측면에서 흥미롭습니다 첫 번째는 이렇게 이제 전기가 통하지 않을 그런 물질에 이렇게 불순물을 집어넣어서 전기가 통하게 만들 수 있다라는 것이 이제 첫 번째 흥미로운 지점이고 고 특히이 실리콘 반도체에서 훨씬 더 흥미로운 지점은 뭔가 하면은 전기를 통하게 하는 그 매체가 이렇게 전자일 수도 있고 여기 전공 일 수도 있다는 겁니다 전자는 우리가 잘 아는 것처럼 음의 전하를 띄고 있습니다 그래서 음의 전하가 전도되기음 만들 수도 있고 정공은 양의 전하를 띄고 있어요 그래서 양의 전하가 움직이는 반도체를 만들 수도 있습니다 그래서 이런 거를 n 타입 이제 이런 걸 p 타입이라고 하는데 아마 생각을 해보면 아 여기 p 타입 반도체도이 안에 있는 것들은 결국은 전자 있고 전자가 빈자리를 만든 것이 전공이라고 했으면 만원 버스 비율을 들었잖아요 그러면 만 원 버스에서 사람이 꽉 차 있는데 한 사람이 내렸어요 그럼 이제 그 빈자리가 생겼으니까 그 빈자리를 매개를 해서 내가 움직여 갈 수 있는 겁니다 실제로 움직이는 실체는 전자이고 는 그냥 반대로 가는 겁니다 그러면 어차피 다음의 전화를 가지는 전자가 움직이는 거 아닙니까 이렇게 생각할 수가 있는데요 여기서 이제이 반도체 특히 양자 하이 아주 흥미로운 지점이 되는데 어이 베일런스 밴드 안에서는 실체가 전자가 아닙니다 홀이 실체입니다 그걸 다른 말로 표현하면이 안에 있는 전자는 질량이 음의 값을 가지고 있습니다이 컨덕션 밴드 안에 있 전자는 질량이 양의 을 가지고 있고요 음의 질량을 가지는 물질이라고 하는 건 잘 이해하기가 쉽지 않죠 그래서 좀 더 정확하게 보면은이 안에 있는 것은 양의 질량을 가진 전공이 있다 그리고 그 전공은 움직이는 방향이 전자와 반대이다 양의 전화를 나른다 이렇게 이해하시면 될 거 같고요 사실이 부분을 어 정확하게 이해하는 거는 그 좀 상당히 어렵고 중요한 것은 전하를 나르는이 전하 나르게 캐리어 가 두 가지 타입이 있다 그래서 하나는 n 타입 반도체가 있고 p 타입 반도체가 있다 요것만 기억을 하시면 될 거 같고요 요것이이 아주 효율적인 회로를 만들어내는 아주 중요한 인자가 되고 그게 가능했기 때문에이 실리콘 반도체가 오늘날의 소희 반도체 또 정보 처리 소자에 가장 총화가 된 것입니다이 실제로 이제 회로를 구성을 하려 그러면은요 실리콘 반도체 말고도 우리가 보통 전기 공학에서 배우는 저항 그다음에 레지스터 또 인덕터 커패시터 이런 것들이 다 있어야 되고 이런 것들을 조합한 것이 전기 또는 전자 회로가 됩니다 반도체 회로 기판을 보면은 어이 검은 반도체 취뿐 아니라 이런 다양한 저항 또 인덕터 커패시터 이런 것들이 막 이렇게 꽂혀 있죠 그런 걸 우리가 보통 컴퓨터 열어 보면은 이제 보실 수가 있는데 그런 것들이 다양하게 조합된 것이 이제 전기 회로인이 반도체 칩 안에 에는 보면은 저런 것들이 굉장히 작게 만들어져 갖고 다 들어가 있습니다 칩 안에도 있고 그 칩과 칩 사이를 연결하는 회로에도 있고 뭐 이렇게 생각하시면 될 거 같아요 그래서 그게 이제 우리가 보통 컴퓨터를 열어봤을 때 보는 이제 회로 기판이 생각하실 수가 있겠습니다 자 다시 이제 반도체로 돌아와 가지고요이 반도체가 뭘 하는가를 이해하기 위해서 가장 기본적으로 이해를 해야 될 것이 소위 다이오드입니다 다이오드는 이제 기온은 렇게 쓰고 화살표가 이렇게 있는 거 보니까 이쪽으로 뭐가 잘 가는데 여기는 이렇게 뭐가 막아져 있는 거보 반대로는 잘 안 갈 것 같잖아요 맞습니다 전류가 한쪽 방향으로 잘 흐르는데 반대쪽 방향으로 잘 흐르지 않게 하는 거 이건 다이오라 그러고 이런 걸 정라 그럽니다 정류 피케이션이라고 하는 건데요 여기 보면 이제 이런 그래프를 흔히 설명을 합니다 여기 어떤 전압을 가하고 그다음에 y 축으로 전류가 흐르는 건데 전압이 양의 가해지면 전류가 잘 흐르고 음의 전압이 가해지면 전류가 잘 흐르지 않고 요게 이제 다이오드입니다 그럼 요걸로 뭘 하느냐 트랜지스터를 만들 수가 있습니다 여기기 보면 앞에서 배웠던 실리콘 기판이 있고요 그다음에 여기 요렇게 검은색이 있는 거 이게 실리콘 옥사이드 아까 산화 공정을 통해서 만든 부도체 있니다 그리고요 위에 있는게 금속입니다 알루미늄 어 금속이라서 금속 인슐레이터 부도체 반도체 메탈 옥사이드 세미컨덕터 그래서 MOS 됩니다 그다음에 여기 FET고 하는 거는 드 펙트 트랜지스터라는 뜻인데요 트랜지스터가 게이트가 있고 소스와 드레인 있는 걸 트랜지스터라고 그래요 근데 이제 드 이트라 하는 건 우리말로 하면 전개 효과라는 뜻이죠 여기 전압을 가하면 그 전압이 여기 인슐레이터 하는 건 전기가 안 통하는 거잖아요 그이 전압이 이이 직접 전류가 흐르게 하면 안 돼요 단지요 인슐레이터 통해서요 채널 표면의 전개를 유도를 해서요 채널이 원래 없었던 것이 이제 만들어지게 하는 거 그게 모스입니다 그 채널이라고 하는 건 뭔가 이렇게 흘러가는 통로라는 뜻이죠 여기 전류가 흘러가는 통로라는 뜻입니다 그래서 이게 소스라고 하는 건 근원이란 뜻이고 는 뭐가 빠져나가는다는 뜻이니까 전압을 가해서 전류가 이렇게 들어와서 이렇게 빠져나가게 한다 언제 게이트에 전압이 가해졌을 때 다시 말해서 게이트의 전압을 가하면 없던 채널을 만들고 그 채널을 통해서 소스하루 흐른다 요게 이제 모스의 가장 기본적인 동작 원리가 될 텐데 이게 뭐가 되냐면 스위치가 됩니다 게이트 잔업을 가해서 채널을 만들면 스위치 온 요거를 제거하면 스위치 오프 그래서 똑같은 어 소스하루 사의 전압을 걸어 놓고 게이트의 전압을 가하 가하지 않느냐를 따라서 채널을 만들었다가 없앴다가 요게 되는 것이 트랜지스터 그요 이게 흥미롭게도 앞에서 말씀드린 것처럼 요기 흘러가는 전류를 전자로 만들 수도 있고 홀로도 만들 수 있어요 그 두 가지를 잘 조합하면 우리가 지금부터 배우려고 하는 굉장히 복잡한 논리 연산을 할 수가 있고 그 논리 연산을 할 수 있는 회로를 굉장히 많이 만들어놓은 거 그게 오늘날 우리가 바라보는 반도지 칩이 되겠습니다 트랜지스터가 아까 n 타입 실리콘이 있고 p 타입 실리콘이 있다고 했는데 p 타입 실리콘을 여기 써서 만드는게 n 타입 모이고이 기판이 n 타입 실리콘을 써서 만드는 트랜지스터가 p 타입 모스입니다 그럼 이게 이제 어 n 모스는 전자 그럼 여기 전자가 있어야 될 거 같고 그러니까 n 타입이 있어야 될 거 같고 여기 p 모스는 홀이 그 여기 홀이 많이 있는 피타입 있어야 될 것 같은데 이게 반대로 돼 있어요 이게 이제 왜 그런가 하면은 여기 보시면 n 타입 모스는 소스하루 있이 n 타입으로 돼 있습니다 그 가운데 p 타입이 있어요 NP PN 그래서 이게 이제 PN 정션이 앞에서 배웠던 다이오드가 서로 마주보고 있는 그런 구조를 가지고 있습니다 그래서 이런 거 이제 백투백 다이오라 하는데 p 타입에 양의 전압을 걸고 n 타입에 음의 전압을 걸어야 전류가 잘 흐르는 겁니다 반대로 n 타입의 양의 전압을 걸고 p 타입의 음의 전압을 걸면 전류가 안 흘러요 모스는 여기에 그라운드를 잡고 0를 가하고 여기에 양의 전압을 가합니다 예를 들어 2를 가요 그러면 플 2를가 있으니까 여기 소스라고 하는 건 뭐의 소스가면 전자의 소스예요 그럼 여기 전자가 되게 많이 있는 겁니다 그럼 전자는 음의 전을 갖고 있기 때문에 양의 전압에 따라서 끌려오게 돼 있습니다 그런데 지금 여기가 n 타입인데 양의 전압을 걸었고 여기가 p 타입이니까 이게 리버스 바이어스가 가해져 있는 겁니다 아까 다이오드는 p 타입의 양 n 타입의음을가 걸어야 된다 그랬는데 지금 반대로 돼 있거든요 n 타입의 양 p 타입에는 상대적으로 낮은 전압이 걸려 있으니까 여기가 리버스 바이어스가 가이지 있어 갖고 전류 흐르지 않는 거예요 요쪽은 보면은 여긴 0 볼인데 이쪽에 양의 전압을 걸 그니까 전압이 이렇게 전달되 오면은 요기가 여기보다 전압이 높아요 그럼 여기는 포워드 바이어스가 걸려서 전류가 잘 흐르는데 문제는 여기에 리버스 바스가 걸려 있는 거죠 그러니까 전류 흐르지 않는데 여기 n 모스는 게이트의 양에 전압을 겁니다 그러면 여기 p 타입에는 홀이 많았는데 이게 양의 양의 전압을 띄고 있는 거라 그랬죠 양의 전압은 양해 전하를 띄고 있는 홀을 밀어내고 여기하고 여기에 많은 전자를 잡아당겨 갖고 여기에 전자로 이루어진 채널을 형성합니다 그러면은 n p n's 게이트 전압을 가하면 양의 전압을 가하면 n n n 바뀌기 때문에 전류가을 수 있게 되는 것이고 따라을 때는 n 모스가 동작하는 겁니다 전자가 채널을 이었으니까 모스라 하는 겁니다 반대로 p 모스는 여기에 이제 음의 전압을 가해서 홀을 잡아당길 겁니다 여러분이 짐작하실 수 있는 것처럼 여기는 p 타입이라 그랬으니까 홀이 많이 있는 거예요 그러면은 홀을 쭉 잡아당겨 갖고 전류가 어 통하게 하고 싶은 건데 여기 이제 n 타입이니까 여기 저 홀이 없잖아요 그럼 역시 역시 여기도 역시 PN 정신 리버스 바이어스에 걸려 있는 부분이 있고 그러니까 전류가 안 통하는데 이번에는이 게이트에가 음의 전압을 걸어 주면 전자를 밀어내고 여기는 홀을 잡아당겨서 홀로 이루어진 채널을 형성하게 되고 그러면은 PNP ppp 바뀌면서 홀리 전기를 통하는 그런 상태를 만들어낼 수가 있습니다 여게 이제 모스가 되는데 왜 요렇게 두 가지를 쓰느냐 요런 거를 하려 그래요 이런 것들을 많이 조합을 해 놓은 것이이 로직 연산 소자 그요 이런 것들이 하는 연산의 결과를 이제 저장을 하는게 메모리 소자라고 말씀을 드렸죠 그다음에 앞으로는 아마이 두 개를 하나의 칩에 합한 그런 이제 기능을 가진 저희 AI 칩이 나올 것 같습니다 이게 좀 더 발전 을 하면은 이제 어 우리 최 GPT 3 같은 것들을 잘 구동시킬 수 있는 그런 차세대 반도체이다 주행을 하려 그 하면은 외부의 신호를 받아들이는 센서라고 프로세싱 하는 프로세서 결합에 대해서 그 결과를 메모리에 조장하는 뭐 이런 것들이 나올 거고요 이런 것들이 이제 앞으로 반도체 이제 미래가 될 것입니다 오늘 제가 첫 번째 강의로 준비한 내용은 여기까지고요 어 다음번에는이 연산하는 방식에 대해서 좀 더 자세히 말씀을 드리겠습니다