반도체란 무엇입니까?

전기를 기준으로 하면 세상에는 크게 두 종류의 물질이 있다. 전기가 통하는 도체(導體)와 전기가 통하지 않는 부도체(不導體)다. 백금 구리 등 금속물질은 대부분 도체고 나무바위 옷감 등은 부도체다. 사람들은 오랫동안 자연에 도체와 부도체만 있는 줄 알았다. 도체와 부도체의 중간에 반도체(半導體)가 존재한다는 사실을 알게 된 것은 비교적 최근의 일이다.

[반도체란]
반도체는 말 그대로 도체와 부도체의 중간특성을 가진 물질이다. 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등이 여기에 속한다. 자유전자를 가진 물질만 전기가 통하고 자유전자가 없는 부도체는 전기가 통하지 않는다. 반면 반도체에는 평상시에 자유전자가 없으나 반도체에 열을 가하거나 특정한 불순물을 넣으면 자유전자가 조금 생겨나 전기가 통하게 된다. 반도체를 이용한 트랜지스터가 발명되기 전까지는 전류의 흐름을 조절하기 위해 진공관을 사용했다.

[집적회로의 개발]
패어차일드 반도체 회사는 1959년 말에 실리콘을 이용한 최초의 상업용 트랜지스터를 생산하기 시작했다. 트랜지스터를 사용하면서 집채만 하던 컴퓨터가 옷장 크기로 줄어들었다. 1958년 텍사스 인스트루먼츠의 전자공학자 킬비는 트랜지스터 1개, 저항기 3개, 캐패시터 1개 등 모두 5개의 소자를 하나의 반도체 기판 위에 모아 놓은 최초의 집적회로를 개발했다.

그 뒤 트랜지스터 100여 개를 집적한 소규모 집적회로, 100~1000개를 집적한 중규모 집적회로, 1만 개 정도를 집적한 대규모집적회로, 10만개 정도를 집적한 초대규모집적회로로 발전했다. 최초의 초대규모 집적회로는 가로 6mm, 세로 6mm 기판에 트랜지스터 15만6000개를 집적시켰다. 그리고1990년대에는 트랜지스터 400만개 정도가 집적된 64M D램과 같은 극초대규모 집적회로를 개발하기에 이르렀다.

[핵심기술]
1개의 웨이퍼에 얼마나 많은 수의 칩을 찍을 수 있는가, 또 같은 수의 칩이 찍힌 웨이퍼에서 얼마나 불량률을 줄이고 많은 칩을 만들어 낼 수 있는가에 따라 D램 1개를 만드는 데 드는 비용이 다르다. 1개의 웨이퍼에 더 많은 칩을 찍기 위해서는 회로의 선폭을 축소해 칩의 크기를 최대한 줄여야 한다. 이렇듯 작은 면적에 많은 선을 그려 넣어야 하기 때문에 반도체 제작에서는 선폭이 매우 중요하다.

선폭을 좁히기 위해서는 우수한 설계기술과 정밀 가공기술이 필요하다. 기술수준이 같다면 생산과정에서 불량률을 줄이는 것이 중요하다. D램은 머리카락 한 올의 수천분의 1정도인 0.1마이크로미터 미만으로 미세하게 처리하는 공정을 수십 번 반복해 생산된다.

[반도체의 종류]
정보저장기능이 있는 반도체를 메모리 반도체, 그렇지 않은 반도체를 비메모리 반도체라고 한다. 메모리 반도체는 정보를 기록하고 기록해 둔 정보를 읽거나 내용을 바꿔 써 넣을 수 있는 램(RAM)과 기록된 정보를 읽을 수만 있고 바꿀 수 없는 롬(ROM·Read Only Memory)이 있다. 롬과 달리 램은 전원이 끊기면 기록해 둔 자료가 사라지는 것이 특징이다.

램에는 S램과 D램이 있다. S램은 전원이 끊기지 않는 한 기록된 정보를 유지하는 특성이 있다. 플래시메모리는 D램이나 S램과 달리 전원이 끊긴 뒤에도 정보가 계속 남아 있는 반도체다. 플래시메모리를 쓰면 램과 같이 빠른 속도로 정보를 읽고 쓸 수 있고 하드디스크 같이 전원과 무관하게 정보도 저장할 수 있다.