[1일차] Part 1. 반도체 기초 및 소자

반도체 기초

1. 반도체 정의

1) 전기 전도도에 따른 정의

- 도체

- 부도체

- 반도체 : 전류가 잘 흐르는 정도가 도체와 부도체의 중간 정도인 물질

 

* 비저항(Resistivity): 물질이 전류의 흐름에 얼마나 세게 맞서는지를 측정한 물리량, 물질에 따라 고유한 값

 

2) 외부에서 순수한 반도체에 불순물을 주입 ★

* 불순물: (도핑)하여 반도체의 전기 전도도를 원하는 대로 조절 할 수 있는 물질

 

2. 전하 (Charge)

- 양성 또는 음성 극성을 띠는 입자 [C, 쿨롱]

- 단위 시간 당 이동한 전하량(C/sec) = 전류 [A]

 

3. 캐리어 (Carrier)

- 캐리어는 반도체 내에서 전하를 이동시켜 전류를 발생시키는 전하 운송자.

- 전자와 정공으로 구성. 전자가 이동하고 남은 자리를 정공이라고 함.

 

4. 정전 용량 (Capacitor) 

- 전기가 통하는 도체 전극 사이에 절연체(유전체)가 존재하는 구조

- 외부 전압 인가 시 같은 양, 반대 극성의 전하가 전극에 모임.

- 전하간의 인력으로 외부 전압 없이도 일정 시간 전하 보존 -> 충전

 

5. Si, 실리콘의 특성

1) 실리콘 사용 이유

- 원재료를 얻기 쉽고 가격이 싸다. 

- 산화막 특성이 좋다.

- 녹는점이 높다. 1414도

- 고순도의 불순물 정제 기술 발달

 

2) Si 특성

- 4족, 원자간 결합 공유결합

- 0K 이상에서 전자-정공 쌍 (EHP) 생성

 

6. 반도체 종류

1) N형 반도체

- 5족 원소 (인P, 비소As)를 불순물로 주입

- 고농도 n+, 저농도 n-

- 다수 캐리어 : 전자 / 소수 캐리어 : 정공

 

2) P형 반도체

- 3족 원소(붕소B)를 불순물로 주입

 

 

반도체 소자

1. PN 접합 다이오드

- P형 반도체와 N형 반도체를 서로 접합한 구조

- P형 +/ N형 -  [순방향 전압] : 전자와 정공이 접합면을 가로질러 이동 -> 전류 흐름

- P형 - / N형 +  [역방향 전압] : 전자와 정공이 접합면 반대로 이동 -> 전류 흐르지X

- 전압-전류 특성 : 한쪽 방향으로만 전류 흐름. 

 

2. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

- 전계 효과 = 정전 용량의 원리 (Capacitor)

[동작 원리]

- 게이트 (+) 전압 인가 -> P 기판의 정공이 밀려나고 전자가 표면에 모임.

  -> P형이 N형으로 반전 -> 반전층(채널)

- 채널 형성 -> 전자는 Source에서 Drain, 전류는 Drain에서 Source 

- 채널 형성될 때의 게이트 전압 : 문턱 전압 Vth 스위치 역할

 

반도체 메모리

1. DRAM (Dynamic Random Access Memory)

1) 구조

- DRAM Cell : 1T + 1C(정전용량)

- 정전용량에 data 저장

- 전원 및 리프레시(Refresh)의존 : 휘발성 메모리 소자

 

2) 동작

- 쓰기(Write) : WL->ON, 외부 BL-> 데이터 SN에 저장

- 읽기(Read) : WL->ON, SN 전하-> BL 전위 변화 감지

- 누설 전류 -> 주기적 다시 쓰기 -> 리프레시(전력소모!!)

 

 

2. 낸드 플래시 NAND Flash

1) 구조

- Control Gate (CG) : 셀을 선택하는 워드 라인

- Floating Gate (FG) : 데이터(전자)를 저장

- Tunnel Oxide (Tox) : 고 전계에서는 전자 통과/ 저 전계에서는 전자 이탈 방지

- 층간 절연막 (IPD) : FG내 전자 -> CG로 이탈 방지 (ONO)

 

=> 현재는 CTD (Charge Trap Device) : Floating Gate가 아닌 Nitride에 Charge를 저장

 

2) 동작

- 쓰기 동작(비 휘발성)

  프로그래밍(Program) : WL에 고전압, 기판의 전자가 FG로 이동/저장

  소거(Erase) : 기판에 고전압, FG 전자가 기판으로 이동 및 소거

- 읽기 동작

  FG 전자 유무에 다른 Vth 문턱 전압 변동 감지!

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메모리 계층도 & SRAM

1. SRAM

- CPU가 빈번하게 사용되는 데이터 저장 (캐시메모리)

- 메모리 중 가장 빠름

- Cell 면적이 큼  -> 낮은 용량 -> 높은 단가

- 휘발성 메모리

 

2. DRAM

- 컴퓨터의 주 메모리 역할

- 속도, 용량, 가격 : SRAM과 NAND 사이 위치

- 휘발성 메모리

 

3. NAND Flash 

- 스토리지 메모리 역할 (SSD, USB)

- Cell 면적이 작음 -> 고 용량 -> 낮은 단가

- 속도 느림.

- 비 휘발성 메모리

 

4. 클라우드 스토리지

- 인터넷 기반

- 속도 느리고 보안 취약

- 비 휘발성 메모리