반도체 회로 원리 - bandoche hoelo wonli

 반도체는 말 그대로 전도체와 부도체의 중간으로서 전기가 통하기도 하고 안 통하기도 한다. 이 반도체에 다양한 회로를 그리고 연결하면 빛, 전기, 디지털 데이터로 전환하거나 저장, 기억, 연산, 제어 등에 뇌 역할을 하게 된다. (메모리 or 비메모리 반도체)

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 반도체 공정을 곧 써볼 것 같긴 한데 그전에 알면 좋은 3가지를 정의해보면. 

1. 다이오드 :  전류 흐름에 대한 '밸브'라고 보면 되겠다. 

 간단히 말해 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시키면 다이오드가 된다. p형엔 정공이 많고, n형엔 전자가 많다. 이때 n형은 잉여 자유전자가 하나 남는다. 이 자유전자는 p형으로 확산한다. n형은 전자 하나를 잃으므로 양이온, p형은 전자 하나를 얻었으므로 음이온이 생긴다. 이때 두 이온의 수는 동일하다.

 가운데에는 양이온과 음이온이 존재하며, 정공과 자유전자는 존재하지 않는다. 이를 '공핍층(depletion layer)'라고 한다. 이 공핍층을 사이에 두고 p, n형 반도체에선 '전계(electric field)'가 형성된다. 전계는 전자가 함부로 넘어오는 것을 막아주는 역할을 한다. '전위 장벽(Potential barrier)'이라고도 하며, 실리콘 다이오드의 경우 이런 전위 장벽이 0.7V다. 이 전압을 넘어야 전자가 이동할 수 있는 것이다.

 p형 반도체는 음이온, n형 반도체는 양이온에 형태를 보임으로 '전위 기울기(전위 차이)'가 생긴다. 다르게 부르면 '전위 장벽'이라고 한다. 

 이때 순방향으로 전압을 걸어주면(n형 -, p형 +) 전자가 p형 쪽으로 정공은 n형 쪽으로 간다. (전류가 p > n으로 흐름)  그리고 이때 전자와 정공이 중간에서 만나 결합한다. 그러면서 공핍층을 줄어들고 재결합으로 에너지가 방출된다.

 반대로 역방향을 걸어주면 n형엔 +, p형엔 -을 연결한다. 각자 전압을 건 쪽으로 전자와 정공이 몰리면서 공핍층이 넓어진다. > 전류가 흐르지 않게 된다. (*아예 흐르지 않는 것은 아니고 아주 소량의 전류가 흐른다. 누설전류는 온도와 같이 상승하기 때문에 이를 잘 컨트롤해줘야 한다.)

2. 트랜지스터 : 전기 신호를 증폭시키기도 하고, 길을 열어주는 '스위치' 역할을 한다.

 가운데 파란색 영역은 P형 반도체로서 NPN형을 띄고 있다. 한쪽은 이미터, 중간은 베이스, 다른 한쪽은 컬렉터라고 부른다. 모양을 잘 보면 두 개의 다이오드를 연결해놓은 듯한 모습을 보여준다. 무조건 하나의 다이오드가 역방향 다이오드가 되어서 전류가 흐르지 않는다. = 전원 OFF상태

 이때 하단에 있는 건전지를 파워1이라고 한다. 그리고 상단에 건전지가 하나 더 달리는 데 이걸 파워2라고 한다. 이 파워2에 전압을 걸어주면 정방향 전압(전계를 넘어설 높은 전압)이 되고, n형에 전자는 p형으로 이동하며, 일부는 도선을 따라 다시 n형으로 돌아간다. p형으로 넘어간 전자는 오른쪽 방향으로 쭉 흐르며 전류가 흐르게 된다.

 왼쪽에 이미터에선 전자를 방출하게 되고, 그로 인해 베이스 전류가 흐르며, 오른쪽은 전자를 수집하게 된다.

EMITTER : 전자를 방출 / COLLECTOR : 전자를 수집

 즉, 파워1 쪽에서 전자의 흐름으로 흐르는 전류는 base 전류이며, 이 세기가 커지면 collector 전류 역시 커지며 증폭이 된다.  

풀영상 링크 ↓

 그럼 이제 반도체에서 흔히 쓰이는 트랜지스터 방식의 기초인 MOSFET을 간단히 살펴봐야겠다.

MOS는 금속, 산화물, 실리콘의 줄임말이다. FET는 Field effect transistor의 줄임말.

 마찬가지로 npn형으로 되어있다. p형을 기판으로 쓰는 이유는 정공의 이동도는 전자만큼 빠르지 않기 때문이라고 한다.

 그리고 여기에 전계를 넘어서는 전압을 걸어주면 p형 body에 있던 전자들이 게이트 쪽으로 달라붙는다. 지속적으로 전압을 걸어줄수록 전자는 위로 올라오고, 정공은 자연스레 아래로 밀려난다. 그래서 아래 사진처럼 전자들이 몰려있어서 전자들이 흘러갈 수 있는 하나의 다리 역할을 해주는 채널이 생기는 것이다. 

3. 커패시터-Capacitor(콘덴서) : 전기를 저장하거나 흘려주는 '임시 창고'

 필요한 전류보다 많은 양이 흐르면 이를 저장하고, 반대에 경우가 되면 저장한 전류를 방출하는 역할을 한다. 이는 두 개의 금속판 사이에 BaTiO3와 같은 유전체를 끼워 넣어서 만든다.

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 유전체는 전하를 통과시키진 않지만, 대전될 수 있는 물질이다. 전압을 걸게 되면, 전하가 축적될 때까지 전류가 흐르고, 이때 유전체는 전자가 이동하는 것을 막게 된다. 전하가 완전히 축적될 수 있는 양까지 완료되면 전류가 흐르지 않는다.  

 이 다이오드와 트랜지스터, 커패시터를 합쳐서 매우 작게 만든 것이 반도체 칩인 거다. 그리고 이 작은 칩에 소자를 쌓아 제품에 사용할 수 있게 만든다.