PREVIEW
반도체의 과거를 돌아보다
반도체 기술의 발전을 통해 우리는 작고 가벼우며 성능이 뛰어난 제품을 사용할 수 있게 되었다. 최근, 우리 삶에 빠져선 안 되는 반도체에 대한 관심이 뜨겁다. 지난 50여년 간 이어진 반도체의 발전은 항상 기술 산업의 중심이었다. 다시 한번 세간의 주목을 받으며 새로운 변화와 도전을 준비하고 있는 반도체의 지난 과거를 되돌아봤다.
반도체란?
반도체는 전기가 잘 통하는 도체와 통하지 않는 절연체의 중간 성질을 나타내는 물질이다. 초기의 반도체 재료는 주기율표에서 14족 원소인 저마늄(게르마늄)이 사용되었으나, 오늘날에는 대부분 실리콘을 주원료로 불순물을 섞어 반도체 특성을 갖는 물질을 만든다.
전기가 흐르는 정도를 ‘전기전도도’라고 한다. 반도체의 전기전도도 값은 열, 빛, 전압 등의 영향으로 변화하는데, 이 특징에 의해 오늘날 전기·전자 분야에 매우 다양한 용도로 활용되고 있다. 반도체의 활용처가 넓어지면서 의미도 확장되기 시작했다. 현재는 반도체로 된 칩에 많은 양의 전자회로를 올린 반도체 칩을 반도체라고 부르고 있다.
반도체는 크게 메모리 반도체, 비메모리 반도체로 나눌 수 있다. 메모리 반도체는 정보를 저장하는 용도로 사용된다. 흔히 말하는 램(RAM), 롬(ROM)이다. 시스템 반도체라고도 불리는 비메모리 반도체는 연산, 논리 작업 등과 같은 정보처리를 목적으로 이용되는데, 스마트폰, 자동차, 컴퓨터, 센서, 가전기기 등 활용 영역이 매우 넓어 무려 세계 반도체 시장의 80%를 차지하고 있다.
반도체 활용 분야가 점차 세분화되면서 각각의 목적에 맞게끔 반도체 재료도 다양해지고 있다. 기존 소재의 단점을 보완하면서도 장점은 살리기 위해 실리콘카바이드(탄화규소, SiC). 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN), 산화갈륨(Ga₂O₃) 등 다양한 소재의 연구가 활발히 진행 중이다.
반도체, 발견과 발전
반도체의 첫 발견은 1800년대였지만, 반도체 기술이 발달한 것은 지난 100년 사이에 이루어졌다. 초기 반도체는 실리콘이 아닌, 황화납(PbS), 안티몬화아연(ZnSb), 황화은(AgS)과 같은 화합물 반도체였다.
1874년, 독일 물리학자 카를 페르디난트 브라운(Karl Ferdinand Braun)에 의해 황화납(PbS)의 점 접점 다이오드(point-contact diode)에서 정류작용 현상이 보고됐다. 이후 그는 마르코니(Marconi)와 함께 다이오드를 라디오에 응용하는 업적을 통해 1909년에 노벨상을 수상했다.
1947년, 벨 연구소에서 윌리엄 쇼클리(William Bradford Shockley)와 월터 브래튼(Walter Brattain), 존 바딘(John Bardeen)에 의해 점 접점 트랜지스터(point-contact transistor)가 개발됐다. 다만 연구팀의 지휘자인 쇼클리는 트랜지스터의 개념 역시 그가 고안한 것이긴 하지만 쇼클리가 개발하던 트랜지스터는 샌드위치 구조를 하고 있는 다른 방식의 트랜지스터였다.
쇼클리는 점 접점 트랜지스터의 개발 이후에도 본인이 생각한 방식의 트랜지스터 개발을 독자적으로 진행했고, 1949년 말 새로운 트랜지스터의 작동 원리를 증명하며 트랜지스터의 원조라 할 수 있는 접합형 트랜지스터(BJT, Bipolar Junction Transistor)를 개발했다.
이후 1958년에는 텍사스인스트루먼트(TI)의 잭 킬비(Jack S. Kilby)와 페어차일드(Fairchild)의 로버트 노이스(Robert Noyce)가 하나의 반도체 조각 위에 트랜지스터뿐만 아니라 저항, 다이오드, 커패시터 등의 여러 소자를 배치하고 연결하는 집적회로(IC)를 개발했다.
IC는 소자뿐 아니라 연결선까지 회로 전체를 반도체 웨이퍼로 구현해 얇고 가벼우며 수명도 길다는 장점과 함께 대량생산의 시대를 열었다. 그 이후 소자의 집적도를 증가시킨 CMOS를 거쳐 오늘날은 프로세서, 메모리, 프로그램 가능 로직과 아날로그, RF 등 모든 요소들을 하나의 칩 안에 집적하는 시스템온칩(SoC: System-on-Chip)의 시대가 됐다.
