반도체란? - 반도체의 정의 및 특징, 소자, 반도체 종류

[반도체]

 

반도체란?

[Semiconductor]

: 전기가 잘 통하는 도체와 통하지 않는 부도체(절연체)의 중간 특성을 가진 물질

  그 물질 자체보다 반도체 소자를 의미하는 경우가 많다.

 

 

반도체의 특징

: 열, 빛, 자기장, 전압, 전류 등의 영향으로 전기 전도도가 크게 바뀐다.

  - 반도체에 불순물을 많이 첨가하면, 전도도는 10억배 이상 증가

  - 불순물 첨가, 전기장/자기장 변화 등의 제어를 통해 전기 전도도를 쉽게 제어 가능

 

[반도체 소자]

 

반도체 소자

: 반도체 물질로 전자 회로나 비슷한 장치를 만들어 구성하는 소자

  → 발진, 증폭, 정류, 광전변환, 자전 변환 등의 동작을 일으킨다.

 

반도체 소자의 종류

1) 다이오드(Diode)

: 주로 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 정류 작용을 한다.

  (한 쪽에는 낮은 저항, 다른 쪽에 높은 저항)

- 가장 많이 쓰는 PN접합 다이오드는 반도체 기반 회로를 구성하는 기본 단위

 

 

 

 

2) 발광 다이오드(LED)

: 전류를 순방향으로 흘려주었을 때 빛을 발하는 반도체 소자

- 반도체의 PN접합 구조를 이용하여 순방향 전압을 가하면,

  N영역에 있는 전자가 P 영역의 양공을 만나 재결합 발광을 일으킨다.

- 발광 파장은 반도체에 첨가되는 불순물의 종류에 따라 다르다.

- LED는 일반 광원에 비해 소형이고 수명이 길며 효율이 좋다.

 

 

 

 

3) 트랜지스터(TR)

: 전류나 전압의 흐름을 조절하여 증폭하거나, 스위치하는 역할의 반도체 소자

- 제어 가능한 저항기, 스위치, 증폭기, 릴레이 등으로 사용

- 한 단자의 전압 또는 전류에 의해 다른 두 단자 사이에 흐르는

  전류 또는 전압을 제어할 수 있다.

- 현대 대부분의 전자기기를 구성하는 기본 소자.

 

 

 

4) 전계 효과 트랜지스터(FET : Field Effect TR)

: 일반 TR이 전류를 증폭시킬 때, FET는 전압을 증폭시킨다.

- FET은 전자 흐름을 다른 전극으로 제어하는 전압 제어형

- FET은 전압 구동형이고 저 잡음에 임피던스가 높아,

  특성이 진공관에 가깝다.

- 접합형 TR에 비해 동작 속도가 느리고 전송 컨덕턴스(gm)가 낮지만,

  게이트 전류가 거의 0이고 구조가 간단하며 고밀도 집적에 적합

 

 

 

5) 사이리스터(Thyrister)

= 실리콘제어정류기(SCR : Silicon Controlled Rectifier)

: 많은 양의 직류나 전압을 제어하는데 쓰이는 반도체 소자

- 게이트에 일정 량의 전류를 흘리면, 양극과 음극이 도통된다.

- 도통을 정지(턴오프)하기 위해서는 양극과 음극간의 전류를 일정치 이하로 낮춰야 한다.

- 한 번 도통되면, 통과 전류가 0이 될 때까지 도통 상태를 유지해야 하는 곳에 사용한다.

- 특히 대전력을 제어할 경우, 전류의 0타이밍에 off되기 때문에 서지 방지가 뛰어남.

 

6) 트라이악(Triac)

 

 

= 쌍방향 사이리스터

: 교류의 쌍방향 스위치 제어에 이용된다.

 

 

 

 

 

 

 

7) 집적 회로(IC : Integrated Circuit)

 

    = 칩, 마이크로칩

    : 트랜지스터, 다이오드, 저항, 커패시터 등의 부품들을

      반도체 웨이퍼라는 기판에 분리할 수 없도록

      결합된 형태로 만든 전자 회로

    

    ① 장점

         - 부품의 크기가 작고 가볍다

         - 납땜하는 배선이 없어, 신뢰도가 높다

         - 대량으로 생산될 수 있어, 제작 비용 저렴함

         -  모든 회로들이 인접하게 제작되어 있어, 회로를 통한

            연산 속도가 매우 빠르고 소비전력이 낮다.

 

    ② 단점

         - IC를 제조한 후에는 작동하는 매개변수 수정 불가

         - 구성 요소가 손상되면, 전체를 신환해야 함

         - 더 높은 커패시턴스를 위해서는 개별 부품을 외부에 연결

         - 고전력 IC(10W이상)는 생산 불가

 

    ③ IC의 분류

         - 기능별 분류

            : 메모리칩, 마이크로프로세서, 표준 칩, SoC 등

         - 유형별 분류

            : 디지털 IC, 아날로그 IC, 혼합 IC 등

 

[반도체의 종류]

 

1. 메모리 반도체

: 정보를 저장하기 위한 집적 회로

- 트랜지스터와 커패시터로 구성된 회로인 셀을 2차원으로 무수히 배열한 상태

- 기능이 단순한 반면, 수요가 많아 대규모 투자를 바탕으로 대량 생산 방식이 가능하다.

 

1-1. 휘발성 메모리

RAM(Random Access Memory)

: 기억된 내용을 마음대로 읽거나 변형시킬 수 있는 기억장치로서 주로 주기억장치에 사용된다.

 

	DRAM	SRAM
득징	저장된 정보가 시간으 흐르며 소멸됨. 주기적으로 재생시켜줘야 한다.	기억장치에 전원이 공급되는 한 정부가 유지된다.
장점	SRAM에 비해 회로가 간단하여 고집적화가 가능해 가격이 저렴하다.	DRAM보다 데이터 처리 속도가 빠르다.
단점	다소 속도가 떨어진다.	회로가 복잡하여 집적도가 낮고, 대용량으로 만들기 어려워 비싸다.
사용	일반적인 기억장치에 사용	소용량의 메모리, 캐시메모리

 

1-2. 비휘발성 메모리

: 전원이 없는 상태에서도 데이터가 계속 저장됨

   ex) 플래시 메모리(RAM과 ROM의 장점을 모두 갖춤)

 

	NAND	NOR
연결 방식	셀을 수직(직렬)으로배열	셀을 수평(병렬)으로 배열
장점	재조 단가가 싸고 소형화 가능 저장 용량이 크다.	처리 속도가 빠르고 데이터 안정성이 우수하다.
단점	읽기 속도가 느리다.	저장용량이 적고, 소비전력이 크다.
사용	USB드라이브, SSD 등의 저장매체, 디지털카메라, MP3, 스마트폰	일반 휴대전화, MMC(멀티 미디어 카드)

 

2. 비메모리 반도체

: 메모리 반도체를 제외한 모든 반도체

연산, 추론, 학습, 변환, 감지 등 정보를 처리하는 기능을 갖춤

특수한 기능을 하기 떄문에 고도의 회로 설계 기술이 필요하고 소량의 다품종 고부가 가치형 생산체제이다.

 

3. 시스템반도체

: 비메모리 반도체의 대부분이 전자기기의 시스템을 제어하고 운용하기에 시스템반도체라고도 한다.

▶ 쉽게 보면, 비메모리 반도체에서 센서 뺴고 나머지 다 시스템반도체

 

3-1. 시스템 반도체의 분류

 

      1) 마이크로 컴포넌트

         : 주로 연산과 제어 기능을 담당하며,

           PC와 응용기기의 두뇌 역할을 한다.

            ex) MPU/CPU, MCU, DSP

 

       2) LOGIC IC

           : NOT, OR, AND 등의 논리회로로 구성되어,

            연산/기억/전송/변환 등의 기능을 수행해 특정 부분을 제어함

             ex) AP, DDI

 

       3) Analog IC

           : 소리나 빛 등의 각종 아날로그 신호를

             컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환해

             필요한 연산을 수행한다.

              ex) 전력관리, 신호감지-증폭 등

 

3-2. IC의 대표 주자들

 

       1) 마이크로프로세서(MPU)

           = 컴퓨터의 중앙처리장치(CPU)

           - 기억, 연산, 제어 기능을 수행한다.

           - 디지털 데이터를 입력받고, 메모리에 저장된 지시에 따라

              그 것들을 처리하고 결과를 출력으로 내놓는 다목적

              프로그램이 가능한 전자 부품

 

       2) 마이크로 컨트롤러(MCU)

           :  MPU, 메모리, 입출력 모듈 등을 하나의 칩 위에 구현해

              정해진 일을 수행해도록 프로그래밍된 One-Chip 컴퓨터

           - 특정 시스템을 제어하는데 사용된다.

           - 냉장고, 전자레인지, 세탁기 등의 두뇌역할

 

       3) 디지털 신호 처리 장치(DSP)

           : 디지털 연산으로 신호를 처리하는 마이크로프로세서

           - 아날로그 신호를 측정하고 걸러내고 압축한 후,

             디지털 신호로 변환하여 고속 처리와 연산 수행

           -  빠른 속도로 디지털 신호를 처리할 수 있기 때문에

              영상과 음성 데이터 등을 사용하는 정보가 많은 기기에 활용

 

       4) 어플리케이션 프로세서(AP)

           : 스마트폰, 태블릿 등에서 PC의 CPU에 해당하는 장치

           - CPU와 달리, GPU & 통신칩 & 센서 & 메모리 등의 

             여러 기능이 하나로 합쳐진 SoC 형태

             ex) 엑시노스, 스냅드레곤, 테그라

           - 모든 어플리케이션의 구동과 시스템장치, 여러 인터페이스 장치 제어

           - 부피가 작은 만큼 공정도 까다로워 단가도 비싸고

             성능도 일반 연산처리장치와 달리 느려서 PC에는 부적합

 

       5) 디스플레이 드라이버 집적회로(DDI)

           : 디스플레이를 구동하는 반도체

           - 전달받은 디지털 신호를 RGB 아날로그 값으로 전환하여

             스마트폰, 태블릿 등의 디스플레이 패널에 전달해 영상 구현

 

       6) 전력관리집적회로(PMIC)

           : 전력의 흐름과 방향을 제어해 전략관리를 하는 IC

           - 핵심 기능을 하는 주요 칩에 필요한 전원이나 클록을 공급

           - 직류/교류 형태의 전랍/전류를 시스템에서 요구하는 적합한 형태와

             크기로 변환하는 전력 변환, 전압 감시, 저전업 보호, 배터리 관리 및

             충전 기능 등을 하나로 통합

           - 모든 전자 기기에 들어가며, 5G 스마트폰에는 6개의 PMIC 탑재

 

       7)  차량용 반도체

           : DRIVER IC(엔진 등 고전류 출력이 필요한 장치에 사용), 

             POWER IC, 센서, DDI, MCU 등 여러 종류의 반도체가 사용된다.

           - 내연기관 차에는 보통 200개, 3단계 자율주행 차에는 2000개 이상 필요

           - 전자제어장치(ECU)

              : 차량 내 각 센서로부터 신호를 받아들여 자동차의 엔진 변속기,

                구동계통, 조향게통 등 차량의 모든 부분을 제어

 

       8) ASIC

           (Application Specific Integrated Circuit / 주문형 반도체)

           : 고객이나 사용자가 요구하는 특정한 기능을 갖도록 설계./제작

           - 표준 IC와 상대적인 개념

              ▶표준 IC : 규격이 정해져 있어, 일정 요건만 갖추면 어디든 사용 가능

              ▶ ASIC : 분야별로 다른 필요한 기능을 충족시켜줌.

 

       9) SoC(System on Chip)

           : 전체 시스템에 필요한 모든 전자 부품을 단일 칩에 통합

             (단일 기판에 여러 블록 통합 시, 낮은 전력 소비 등 여러 이점) 

           - SoC는 일반적으로 MCU보다 기능이 더 광범위하다.

 

       10) 이미지 센서

           : 빛 에너지를 전기 에너지로 전환해 영상을 만든다.

             (카메라 필름같은 역할) 

           - CIS(CMOS Image Sensor)

           - CCD(Charge Coupled Device)