반도체란 무엇인가? 전기 엔지니어가 이러한 중요한 전자 부품의 작동 방식과 제조 방법을 설명합니다.

Oct 26, 2023

애리조나 주립대학교 전기공학과 교수

Trevor Thornton은 이 기사의 혜택을 받을 수 있는 회사 또는 조직에서 일하거나, 컨설팅하거나, 주식을 소유하거나 자금을 지원받지 않으며, 학술 임명 외에는 관련 제휴 관계를 공개하지 않았습니다.

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반도체는 거의 모든 현대 전자 장치의 중요한 부분이며, 대부분의 반도체는 타웨인에서 제조됩니다. 특히 대만과 중국의 약한 관계를 고려할 때 반도체에 대한 대만 의존도에 대한 우려가 커지면서 미국 의회는 2022년 7월 말 CHIPS 및 과학법을 통과시켰습니다. 이 법안은 미국 ​​반도체 성장을 위해 500억 달러 이상의 보조금을 제공합니다. 생산되어 뉴스에 널리 보도되었습니다. 반도체를 연구하는 전기 기술자인 Trevor Thornton이 이러한 장치가 무엇인지, 그리고 어떻게 만들어지는지에 대해 설명합니다.

일반적으로 반도체라는 용어는 유리와 같은 절연체보다 전기를 훨씬 더 잘 전도할 수 있지만 구리나 알루미늄과 같은 금속만큼 전기를 전도할 수 없는 실리콘과 같은 재료를 의미합니다. 하지만 오늘날 사람들이 반도체에 대해 이야기할 때 일반적으로 반도체 칩을 언급합니다.

이러한 칩은 일반적으로 특정 패턴으로 복잡한 구성 요소가 배치된 얇은 실리콘 조각으로 만들어집니다. 이러한 패턴은 집에서 스위치를 켜서 조명을 켜서 전류를 제어하는 ​​것과 거의 같은 방식으로 트랜지스터라고 불리는 전기 스위치를 사용하여 전류의 흐름을 제어합니다.

집과 반도체 칩의 차이점은 반도체 스위치가 완전히 전기적이며 뒤집을 수 있는 기계적 구성 요소가 없으며 칩에는 손톱 크기보다 훨씬 크지 않은 영역에 수백억 개의 스위치가 포함되어 있다는 것입니다.

반도체는 전자 장치가 정보를 처리, 저장 및 수신하는 방법입니다. 예를 들어, 메모리 칩은 데이터와 소프트웨어를 이진 코드로 저장하고, 디지털 칩은 소프트웨어 명령에 따라 데이터를 조작하며, 무선 칩은 고주파 무선 송신기로부터 데이터를 수신하여 전기 신호로 변환합니다. 이러한 다양한 칩은 소프트웨어의 제어하에 함께 작동합니다. 다양한 소프트웨어 애플리케이션은 매우 다른 작업을 수행하지만 모두 전류를 제어하는 ​​트랜지스터를 전환하여 작동합니다.

대부분의 반도체의 출발점은 웨이퍼라고 불리는 얇은 실리콘 조각입니다. 오늘날의 웨이퍼는 디너 접시 크기이며 단일 실리콘 결정으로 절단됩니다. 제조업체는 칩의 전도성을 높이기 위해 실리콘 표면의 얇은 층에 인 및 붕소와 같은 원소를 추가합니다. 트랜지스터 스위치가 만들어지는 곳이 바로 이 표면층입니다.

트랜지스터는 전체 웨이퍼에 전도성 금속, 절연체 및 더 많은 실리콘의 얇은 층을 추가하고 리소그래피라는 복잡한 프로세스를 사용하여 이러한 층의 패턴을 스케치한 다음 반응성이 높은 가스의 컴퓨터 제어 플라즈마를 사용하여 이러한 층을 선택적으로 제거하여 만들어집니다. 특정 패턴과 구조. 트랜지스터는 매우 작기 때문에 미세한 금속선이나 절연체를 칩 위에 직접 배치하는 것보다 층에 재료를 추가한 다음 원하지 않는 재료를 조심스럽게 제거하는 것이 훨씬 쉽습니다. 반도체 제조업체는 다양한 재료의 층을 수십 번 증착, 패턴화 및 에칭함으로써 평방 인치당 수백억 개의 트랜지스터를 갖춘 칩을 만들 수 있습니다.

많은 차이점이 있지만 가장 중요한 것은 아마도 칩당 트랜지스터 수의 증가일 것입니다.

반도체 칩의 초기 상용 응용 프로그램 중에는 포켓 계산기가 있었는데, 이는 1970년대에 널리 보급되었습니다. 이 초기 칩에는 수천 개의 트랜지스터가 포함되어 있었습니다. 1989년 인텔은 단일 칩에 트랜지스터 백만 개를 초과하는 최초의 반도체를 출시했습니다. 오늘날 가장 큰 칩에는 500억 개 이상의 트랜지스터가 포함되어 있습니다. 이러한 경향은 무어의 법칙으로 설명되는데, 이는 칩의 트랜지스터 수가 약 18개월마다 두 배로 증가한다는 것입니다.