반도체

일반적인 성질

반도체 물질들은 고유반도체(원소 반도체)와 불순물반도체의 일반적인 2개 그룹으로 나눌 수 있다. 고유반도체는 화학적 순도가 대단히 높고(이 물질들은 10¹²에 1개 정도의 불순물을 포함함), 전기전도도가 아주 낮으며, 온도에 따라 전기전도도가 크게 변한다.

흔히 쓰이는 고유반도체로는 규소(Si), 저마늄(Ge), 비소화갈륨(GaAs)의 단결정들이 있다. 이러한 물질들에 일반적으로 10⁶에 1개 정도의 불순물을 첨가하면 기술적으로 더욱 중요한 불순물반도체로 된다. 이 과정을 도핑(doping)이라고 하며, 이것은 물질의 전기적 성질을 변화시켜서 전기전도도를 갑자기 크게 한다.

예를 들어 규소 원소 같은 고유반도체의 원자는 4개의 최외각 전자를 가지고 있다. 이 전자들은 규소원자를 그것에 이웃하는 원자와 결합시켜주고 있어서 고체 내에서 자유롭게 움직일 수 없다. 따라서 순수한 규소는 전기전도성이 나쁘다.

만약 5개의 최외각 전자를 가진 인(P) 원자가 불순물로 일부의 규소원자를 치환한다면 이웃한 원자들을 결합시키는 데 있어 5번째의 전자는 필요하지 않으므로 이 전자는 자유롭게 움직일 수 있다. 반면 붕소와 같은 형의 불순물원자들은 규소보다 최외각 전자가 1개 적으므로, 붕소원자로 규소원자를 치환한다면 두 원자 사이에 하나의 전자가 모자라 빈 공간을 남기게 된다.

이를 양공(hole)이라 하는데, 이들은 양전하를 가진 입자처럼 행동하므로 역시 전기전도도를 높여준다(→ 양공). 100만 개의 원자에 10개의 붕소원자만 들어가더라도 불순물반도체가 된다.

불순물반도체는 첨가된 불순물이 고유반도체보다 전자를 하나 더 갖거나 혹은 하나가 부족한 두 종류에 따라서 각각 n-형과 p-형으로 구분된다. 반면 전하운반자의 밀도가 거의 같더라도 어떤 특별한 환경에서 전자와 양공의 이동도(mobility)가 다르기 때문에 고유반도체도 n-형과 p-형으로 구분될 수도 있다. 이런 경우에는 이동도가 가장 큰 전하운반자가 전도과정을 지배한다.

반도체와 접합원리

반도체

고체 물질은 전기전도도에 따라 보통 절연체·반도체·도체로 나뉜다.

그림1은 세 부류 중 몇 개의 중요한 물질의 전기전도도 및 이에 상응하는 비저항을 나타내고 있다. 반도체의 전도도는 절연체와 도체의 중간영역이며 일반적으로 온도·조명·자기장 및 미량의 불순물원자에 따라 그 전도도가 민감하게 달라진다. 예를 들면 특별한 종류의 불순물을 0.01％ 이하로 첨가하여도 반도체의 전기전도도를 100,000배 이상 증가시킬 수 있다.

5종류의 반도체에 대해서 불순물원자에 의한 전기전도도의 변화폭이 그림1에 나타나 있다.

반도체 물질의 연구는 19세기초에 시작되었으며 여러 해 동안 많은 반도체가 연구되었다. 표는 반도체와 관련된 주기율표의 일부를 보여주고 있다. 원소반도체는 한 종류의 원자로 구성된 반도체로, 예를 들면 Ⅳ족의 규소, 저마늄, 회색 주석(Sn) 및 Ⅵ족의 셀렌(Se)과 텔루르(Te) 등이 있다.

그러나 두 종류 또는 그 이상의 원소들로 구성된 수많은 화합물반도체도 있다. 이것들은 구성하는 원소의 수에 따라 이원화합물반도체·삼원화합물반도체·사원화합물반도체 등으로 불린다. 예를 들면 비소화갈륨은 이원 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체로 Ⅲ족의 갈륨(Ga)과 Ⅴ족의 비소(As) 결합으로 이루어져 있다. 삼원화합물반도체는 3개의 다른 족의 원소에 의해서 형성될 수 있다. 예를 들면 텔루르화인듐수은(HgIn₂Te₄)은 Ⅱ-Ⅲ-Ⅴ 화합물이다.

이것들은 두 족의 원소에 의해서 형성될 수도 있다. 예를 들면 비소화갈륨알루미늄(Al_xGa₁－_xAs)은 3원 Ⅲ-V족 화합물반도체로 Ⅲ족인 알루미늄(Al), 갈륨과 V족인 비소로 되어 있다.

여기서 x는 알루미늄과 갈륨의 비율을 나타낸다.

1947년에 트랜지스터가 발명되기 전에 반도체는 정류기와 광전 다이오드 같은 이단자 소자에만 사용되었다. 1950년대초에는 저마늄이 주요 반도체 물질이었다. 그러나 이것은 많은 응용 부문에 부적당하다는 것이 밝혀졌는데, 그 이유는 만들어진 소자가 온도가 약간만 높아도 높은 누설 전류를 보였기 때문이다.

1960년대 이래 규소가 실제적인 대체물이 되어서 반도체 제조 물질로서 저마늄을 몰아내게 되었다. 이것에 대한 이유는 첫째로 실리콘(규소) 소자는 누설전류가 아주 적다는 것과, 둘째로 반도체 소자제조에 필요한 절연체인 양질의 이산화규소(SiO₂, 즉 실리콘산화막)를 만들기 쉽다는 것이다. 현재 실리콘 기술은 모든 반도체 기술 중에서 가장 앞서 있으며, 실리콘에 바탕을 둔 소자는 세계시장에서 반도체 부품의 95％ 이상을 차지하고 있다.

많은 화합물 반도체는 규소가 가지고 있지 않은 전기적 및 광학적 성질을 가지고 있다. 이 반도체들, 특히 비소화갈륨 반도체는 주로 고속·광전자 부문에 사용되고 있다.

전기적 성질

여기에서 논해지고 있는 반도체 물질은 단결정이다.

단결정은 원자가 3차원의 주기적 모양으로 배열된 결정을 말한다. 그림2-1은 순도가 매우 높고 불순물의 양은 무시할 정도인 순수한 규소(실리콘) 결정의 단순화된 2차원 구조를 나타내고 있다. 각각의 규소원자는 4개의 인접 원자로 둘러싸여 있다. 또 각 원자는 외곽에 4개의 전자를 가지고 있고, 이 전자를 4개의 인접 원자와 공유하고 있다. 두 핵이 전자를 서로 끌어당김으로써 두 원자가 묶여진다. 이 전자 공유는 공유 결합으로 알려져 있다.

저온에서 전자는 각각의 결정 내의 위치에 구속되어 있어서 전기전도에 이용될 수 없다.

고온에서는 열진동으로 일부의 공유 결합이 깨져서 자유전자가 생성된다. 전자가 일단 공유 결합으로부터 벗어나면 그 결합에는 전자 결핍이 생긴다. 이 결핍은 인접 전자 중의 하나에 의해서 채워질 수 있는데, 그결과 결핍 위치가 한 곳에서 다른 곳으로 이동한다. 따라서 이 결핍은 전자와 유사한 입자로 간주될 수 있다. 양공이라는 이름이 붙여진 이 가상의 입자는 양전하를 수송하고, 전기장의 영향하에서 전자의 방향과 반대 방향으로 움직인다.

고립된 원자의 경우 원자의 전자는 불연속의 에너지 준위를 가질 수 있다.

많은 수의 원자가 합해져서 결정을 만들면 원자간의 상호작용으로 불연속의 에너지 준위는 에너지 띠가 된다. 열 진동이 없을 경우에는 반도체의 전자는 낮은 에너지부터 여러 개의 에너지 띠를 완전히 채우고, 그결과 나머지 에너지 띠는 빈 채로 있게 된다. 가장 높이 채워진 에너지 띠는 가전자띠라고 불린다.

그 다음으로 높은 띠가 전도띠인데, 이것은 에너지 간격에 의해서 가전자띠와 분리되어 있다. 이 에너지 간격은 띠간격이라고도 불리는데, 이것은 반도체의 전자가 가질 수 없는 에너지 값을 나타낸다. 대부분의 중요한 반도체는 0.25~2.5eV에 이르는 띠간격을 가지고 있다. 예를 들면 실리콘의 경우에는 1.12eV, 비소화갈륨의 경우에는 1.42eV이다.

위에서 논의된 것처럼 한정된 온도에서 열 진동은 어떤 결합을 깬다.

결합이 깨지면 자유전자가 자유 양공과 함께 생긴다. 반도체의 띠간격이 비교적 작기 때문에 어떤 전자는 가전자띠에서 전도띠로 이동할 수 있다. 이때 가전자띠에는 양공이 남는다. 반도체에 전기장이 걸리면 전도띠의 전자와 가전자띠의 양공은 모두 운동 에너지를 얻어서 전기를 수송한다.

한 물질의 전기전도도는 단위 부피당의 전하운반자(즉 자유전자와 자유양공)의 수와 이 운반자가 전기장의 영향하에서 움직이는 속도에 좌우된다.

고유(또는 진성)반도체에는 같은 수의 자유전자와 자유양공이 존재한다. 그러나 전자와 양공은 서로 다른 이동성을 가지고 있다. 다시 말하면 그들은 전기장 내에서 서로 다른 속도로 움직인다. 예를 들면 순수한 규소의 경우 상온에서 전자 이동도는 1,500㎠/V·s인 데 비해서, 양공 이동도는 500㎠/V·s 이다. 반도체의 이동도는 일반적으로 온도 상승이나 불순물 농도의 증가와 함께 감소한다.

고유반도체의 전기전도는 매우 작다.

높은 전도도를 얻기 위해서 의도적으로 불순물을 주입할 수 있다(어미원자의 1/1,000,000 정도). 이것이 도핑 과정이다. 예를 들면 규소원자 하나가 비소와 같은 5개의 최외각 전자를 가진 원자로 대치되면, 비소원자는 그 주위의 4개의 규소원자와 공유결합을 형성한다. 5번째 전자는 전도띠에 '제공된' 전도 전자로 된다. 규소는 전자가 첨가되었기 때문에 n-형 반도체가 된다(n-형 반도체). 비소 원자는 주개(donor)이다.

이와 유사하게 그림2-2는 붕소와 같이 3개의 최외각 전자를 지닌 원자가 규소원자를 대체했을 경우, 붕소원자 주위에 4개의 공유결합을 형성하기 위해서 전자 하나가 '받아들여지고' 가전자띠에는 양으로 하전된 양공이 생긴다는 것을 보여준다. 이것은 붕소를 받개(acceptor)로 가지고 있는 p-형 반도체이다(p-형 반도체, 도펀트).

p-n 접합

단결정 구조 내에서 불순물형이 받개(p-형)에서 주개(n-형)로 갑자기 변화하면 p-n 접합이 형성된다(p-n 접합). p쪽에서는 양공이 주된 운반자이며, 따라서 이것은 다수 운반자라고 부른다.

p쪽에서는 열에 의해서 생성된 전자도 얼마간 존재한다. 이들은 소수 운반자라고 한다. n쪽에서는 전자가 다수 운반자이고, 양공이 소수 운반자이다. 접합 근처는 자유전하 운반자가 없는 영역이다. 이 영역은 공핍층(depletion region)이라고 부르는데, 절연체처럼 행동한다.

p-n 접합의 가장 중요한 특징은 그것이 정류 작용을 한다는 것이다.

즉 전류가 한쪽으로만 흐르게 된다. 그림3은 대표적인 실리콘(규소) p-n 접합의 전류-전압 특성을 보여주고 있다. 순방향 인가전압이 p-n 접합에 걸리면(즉 2번째 상한에 나와 있는 것처럼 n쪽에 대해서 p쪽에 양의 전압이 걸리면), 대부분의 전하 운반자는 접합을 가로질러서 이동하고 그결과 많은 전류가 흐를 수 있다. 그러나 역방향 인가전압이 걸리면(3번째 상한), 불순물에 의해서 도입된 전하 운반자는 접합에서 멀어지는 방향으로 이동하기 때문에 처음에는 단지 작은 누설 전류만 흐른다.

전류의 크기는 역방향 인가전압이 증가해도 임계전압에 도달할 때까지 매우 작게 유지되다가 임계전압에서 갑자기 증가한다.

이 갑작스러운 전류 증가를 접합 파괴라고 부르는데, 이것은 보통 그에 의한 전력 소비가 안전한 값 내에 있을 경우에는 비파괴적 현상이다. 부과된 순방향 전압은 보통 1V 미만이지만, 항복전압이라고 부르는 역방향 임계전압은 1V 미만에서 수천 V까지 변화할 수 있다. 이는 접합의 불순물 농도와 그외 소자의 매개변수에 의해 좌우된다(순방향 접합, 역방향 접합).

이단자접합 소자

개요

p-n접합 다이오드는 2개의 단자를 가진 고체소자이다.

불순물의 분포, 소자의 기하학적 구조 및 인가전압의 조건에 따라 접합 다이오드는 여러 가지 기능을 할 수 있다. 현재 정격전압이 1V 미만에서 2,000V 이상이고 정격전류가 1㎃ 미만에서 5,000A 이상인 다이오드들이 5만 가지 이상이나 있다. p-n 접합은 빛을 생성하고 감지할 수 있으며 복사 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.

정류기

이 형태의 p-n 접합 다이오드는 한쪽 방향으로는 전류에 대해서 낮은 저항이 걸리고, 반대방향의 전류에 대해서는 높은 저항이 걸리게 하여 특별히 교류를 정류하도록 설계되어 있다.

이러한 다이오드는 50~5만㎐에 이르는 주파수에서 작동하는 전력 정류 장치로 전력 소비능력은 0.1~10W이고 역방향 항복전압은 50~5,000V 이상이다. 고전압 정류기는 2개 또는 서로 연결된 그 이상의 p-n 접합으로 만들어졌다.

제너 다이오드

이 전압 조정기는 정격 항복전압을 만들기 위해서 불순물 분포가 정확하게 조절된 p-n 접합 다이오드이다.

이것은 항복전압이 0.1V에서 수천V에 이르는 범위를 가질 수 있도록 설계될 수 있다. 제너 다이오드는 역방향으로 작동하여 정전압원, 변동 전원장치의 기준 전압과 과도 전압, 전류에 대한 보호장치로 쓰인다.

버랙터 다이오드

버랙터(variable reactor)는 리액턴스(교류저항)를 인가전압으로 조절할 수 있는 소자이다.

이것은 특수한 불순물 분포를 지닌 p-n 접합이며, 그 전기용량 변화는 역방향 인가전압에 매우 민감하다. 버랙터는 매개변수증폭, 조화파 발생, 혼합, 검출 및 전압 가변 동조 기구에 널리 사용되고 있다.

터널 다이오드

터널 다이오드는 하나의 p-n 접합으로 구성되어 있다.

접합의 p와 n쪽 모두에 불순물이 고농도로 도핑되어 있어서 공핍층이 아주 좁다(약 100A). 순방향 인가전압에서 전자는 접합을 통해서 직접 터널링하여 통과할 수 있는데, 이때 음저항 효과(즉 전류가 전압 증가에 따라 감소함)를 일으킨다. 터널 다이오드는 접합을 지나가는 짧은 터널링 시간과 그 고유의 낮은 잡음 때문에, 국부 발진기와 주파수 고정 회로 같은 저전력의 초단파장치에 사용된다.

쇼트키 다이오드

금속-반도체 접촉(예를 들면 n-형 실리콘 기판과 접촉되어 있는 알루미늄 박층)을 가진 다이오드이다.

이 다이오드는 1938년에 이러한 종류의 접촉에서 일어나는 정류 작용을 설명한 독일의 물리학자 발터 H. 쇼트키의 이름을 딴 것인데, 전기적으로 p-n 접합과 유사하지만, 전류 흐름의 대부분이 고유 고속 반응성을 지닌 다수운반자에 의한 것이다. 이것은 고주파 저잡음혼합기와 스위치 회로에 광범위하게 사용되고 있다. 금속-반도체 접촉은 비정류적일 수도 있다. 즉 인가전압의 극성에 상관없이 무시할 만한 저항을 갖는다는 것이다.

이러한 접촉을 저항성 접촉(ohmic contact)이라 부른다.

집적 회로뿐만 아니라 모든 반도체 소자는 전자 시스템에서 다른 소자와 연결되기 위해서 저항성 접촉을 필요로 한다.

p-i-n 다이오드

p-i-n다이오드는 p-n 접합의 사이에 'i-영역'이라는 고유층을 샌드위치처럼 끼워넣은 모양의 불순물 분포구조를 갖는 p-n 접합이다.

p-i-n 다이오드는 초단파 회로에서 광범위하게 응용되고 있다. 그것은 본질적으로 i영역의 두께와 같은 간격을 가진 평행판 축전기의 전기용량과 똑같은 일정한 공핍층 전기용량과 고전력 소비성능을 지니는 초단파 스위치로 사용될 수 있다.

전이 전자 다이오드

전이 전자 다이오드(TED)는 2개의 저항성 접촉을 지닌 n-형 화합물반도체(예를 들면 비소화갈륨·인화인듐[InP])로 되어 있다.

다이오드를 가로지르는 전기장이 걸리면, 다이오드는 음저항 현상을 보인다. TED는 국부 발진기 및 1~100㎓의 초단파 주파수 범위에 적용될 수 있는 전력 증폭기로 사용되어왔다. TED는 레이더·침입경보기·초단파시험기구에서 사용되는 중요한 반도체 초단파원으로 쓰였다.

IMPATT 다이오드

IMPATT(impact ionization avalanche transit time) 다이오드는 또하나의 중요한 반도체 초단파 전력 공급원이다.

이것은 초단파 주파수에서 음저항을 만들기 위해서 충격 이온화(역방향 접합 파괴와 관련된 현상)와 주행시간 특성(즉 p-n 접합의 공핍층을 가로지르는 전하 운반자)을 사용한다. IMPATT 다이오드에서 발견되는 형태의 음저항 현상은 통상적인 p-n 접합, 쇼트키 다이오드 및 특정 불순물 분포를 지닌 많은 접합 다이오드로부터도 얻어질 수 있다. 반도체 소자 중에서 IMPATT 다이오드는 밀리미터파 주파수에서(즉 30㎓ 이상) 가장 높은 연속파 출력을 낼 수 있다.

쌍극성 트랜지스터

이 트랜지스터는 반도체 소자 중에서 가장 중요한 것 중의 하나이다.

쌍극성 소자에서는 전자와 양공이 모두 전도 과정에 참여하고 있다. 쌍극성 트랜지스터에서는 입력 전류의 변화에 대응해서 출력 전압의 변화가 일어난다. 이 두 변화의 비율이 지닌 차원은 저항의 차원과 같다. 이 비율은 또한(입력에서 출력으로의) '전이'(transfer) 특성을 가지고 있다. 그렇기 때문에 트랜지스터(trans＋resistor)라는 이름이 붙은 것이다.

실리콘 p-n-p 쌍극성 트랜지스터의 개략도가 그림4-1에 나와 있다.

기본적으로 쌍극성 트랜지스터는 우선 p-형 기판 속에 n-형 영역을 형성해서 만든다. 그 다음에 n 영역에서 p^＋ 영역(불순물이 매우 많이 첨가된 p-형)이 형성된다. 저항성 접촉은 산화물 층(절연체)에 열려 있는 윈도를 통해서 p^＋ 영역의 상단과 n 영역에 만들어지고, 바닥의 p 영역에 만들어진다(p-n-p 쌍극성 트랜지스터).

그림4-2에 나와 있는 쌍극성 트랜지스터의 이상화된 1차원 구조는 그림4-1의 점선이 지나는 부분으로 생각될 수 있다.

불순물이 많이 첨가된 p^＋ 영역은 이미터라고 불리는데, 중앙의 좁은 n 영역은 베이스이고 p 영역은 컬렉터이다. 그림4-2에 나와 있는 회로는 베이스 접지 구성으로 알려져 있다. 화살표는 정상 작동 조건, 즉 이미터 베이스 접합이 순방향으로 전압이 인가되어 있고 베이스 접지 접합은 역방향으로 전압이 인가된 조건하에서 전류가 흐르는 방향을 나타낸다.

p-n-p 쌍극성 트랜지스터의 대응구조는 n-p-n 쌍극성 트랜지스터인데, 이것은 그림4-1의 p를 n으로, n을 p로 바꿈에 의해서 얻어진다. 전류의 흐름과 전압의 극성은 모두 역전된다(n-p-n 쌍극성 트랜지스터).

쌍극성 트랜지스터는 p-n 접합 2개가 결합된 구조이다.

이미터 베이스 p^＋-n 접합은 순방향의 인가전압이 걸리고 작은 저항을 가지고 있다. p^＋ 이미터 속의 주된 운반자인 양공은 베이스 영역에 주입(또는 방출)된다. 베이스 컬렉터 n-p 접합은 역방항으로 전압이 인가되어 있다. 그것은 높은 저항을 가지고 있으며, 단지 적은 누설 전류만이 접합을 통해 흐른다. 그러나 베이스의 폭이 충분히 좁으면, 이미터로부터 주입된 대부분의 양공은 베이스를 지나 컬렉터에 도달할 수 있다.

이 운반 메커니즘은 많이 통용되는 이미터·컬렉터라는 명칭을 만들어냈다. 이미터는 운반자를 방출하든가 주입한다. 컬렉터는 가까운 접합으로부터 주입된 운반자를 모은다.

베이스 접지 구성의 전류이득은 베이스-대-컬렉터 전압이 일정할 때 컬렉터 전류의 변화를 이미터 전류의 변화로 나눈 값으로 정의된다. 잘 설계된 쌍극성 트랜지스터에서의 대표적인 베이스 접지 전류이득은 1에 아주 가깝다.

가장 유용한 증폭 회로는 그림5-1에 나와 있는 것처럼 이미터 공통 구성인데, 베이스의 입력전류를 소폭 변화시키면 전력소모는 거의 없지만 출력회로의 전류가 크게 변한다.

이미터 공통 구성에 대한 대표적인 출력 전류-전압 특징은 그림5-2에 나와 있다. 그림에 여러 베이스 전류에 대해서 컬렉터 전류 IC와 이미터-컬렉터 전압 V_EC의 관계가 나타나 있다. 수치적 예는 그림5-2를 사용하면 얻어진다. V_EC가 5V이고 베이스 전류가 10~15㎂까지 변한다면, 컬렉터 전류 IC는 왼쪽 축에서 읽을 수 있는 것처럼 4~6㎃로 나타날 것이다.

그러므로 입력 베이스 전류가 5㎂ 증가하면 출력 회로에서 2㎃의 증가가 나타난다. 이것은 400배 증가이다. 증폭기로서 사용되는 것 외에 쌍극성 트랜지스터는 고속 집적 회로뿐만 아니라 발진기, 펄스, 스위칭 회로의 중요한 구성 성분이다.

사이리스터

사이리스터는 쌍안정성(bistability)을 나타내는 반도체 소자의 일종으로 고저항-저전류의 '오프'(OFF) 상태와 저저항-고전류의 '온'(ON) 상태 사이를 개폐할 수 있다.

사이리스터의 작동은 전자와 양공 모두가 전도 과정에 참여하는 쌍극자 트랜지스터와 유사하다. 사이리스터란 이름은 사이리스터와 전기적인 특성이 비슷한 가스 사이러트론(gas thyratron)이라는 전자관으로부터 연유되었다. 사이리스터는 쌍안정 특성과 쌍안정 상태에서의 적은 전력소모로 인하여 가정용 전기기구에서부터 고압송전선의 개폐 및 전력변환에 이르기까지 다양하게 쓰인다.

현재 정격 전류가 수 ㎃에서 5,000A 이상까지, 그리고 정격 전압이 90만V에 이르기까지의 4만 종 이상의 사이리스터가 사용되고 있다.

그림6-1은 사이리스터 구조의 개략도이다. 일반적으로 n-형 기판을 사용한다. 그 다음에 기판의 위아래 양쪽에 확산공정에 의해서 p1과 p2층을 동시에 형성한다(확산은 반도체의 결정 구조 속으로 불순물 원자가 이동하는 것임). 마지막으로 n-형 불순물 원자가 산화물 속의 고리 모양의 창을 통해 p2 영역으로 들어가서 n2층을 만든다.

점선을 따른 사이리스터의 단면은 그림6-2에 나와 있다.

사이리스터는 3개의 p-n 접합을 연속적으로 가진 4층 p-n-p-n 다이오드이다. 외부 p층(p1)에 대한 접촉 전극은 음극이라고 하며, 외부 n층(n2)과 접촉하는 것은 양극이라고 한다. 게이트 전극으로 알려져 있는 다른 전극은 내부 p층(p2)과 접촉되어 있다.

사이리스터의 기본 전류-전압 특성은 그림6-3에 그려져 있다.

이 그림은 3개의 다른 영역을 보이고 있다. 즉 순방향 차단상태, 순방향 전도상태 그리고 역방향 차단 상태(이것은 역방향 바이어스된 p-n 접합의 상태와 비슷함)이다. 따라서 순방향 영역에서 작동하는 사이리스터는 고저항, 저전류 차단상태에서 저저항, 고전류 전도상태로 혹은 그와 반대로 전환할 수 있는 쌍안정 장치이다.

순방향 차단상태에서 대부분의 전압은 중앙 n1-p2 접합에 걸리는 것에 반해서, 순방향 전도상태에서는 3개의 접합이 모두 순방향으로 전압이 인가된다.

순방향 전류-전압 특성은 2단 트랜지스터 유추법(two transistor analog)을 사용함으로써 설명될 수 있다. 즉 한 트랜지스터(n1)의 베이스를 다른 트랜지스터의 컬렉터에 부착시켜 연결한 p-n-p 트랜지스터와 n-p-n 트랜지스터로 생각할 수 있다.

그림6-3에서 전압 V_AK가 0에서 증가함에 따라 전류 I_A는 증가한다. 이는 다시 2개의 트랜지스터의 전류 이득을 증가시킨다. 이 과정의 재생성(再生性) 때문에, 결국 스위칭이 일어나고 소자는 전도상태가 된다. 스위칭 되기 전에 가할 수 있는 최대 순방향 전압을 순방향 브레이크오버(forwardbreakover) 전압 V_BF라고 부른다. V_BF의 크기는 게이트 전류에 좌우된다. 게이트 전류가 높을수록 전류 I_A가 더 빠르게 증가하고 재생과정을 촉진시키며 더 낮은 V_BF에서 스위칭이 일어난다.

스위치 행동에 대한 게이트 전류의 영향이 그림6-3(점선)에 나와 있다.

양방향, 삼단자 사이리스터는 트라이액(triac)이라고 부른다. 이 장치는 게이트와 2개의 주단자 중 하나와의 사이에 어떤 극성을 가진 작은 전류를 걸어줌으로써 그 방향으로 전류를 스위칭할 수 있다. 트라이액은 2개의 사이리스터를 반(反)평행이 되도록 연결하여 집적시킴으로써 제작할 수 있다.

그것은 조광(調光) 전동기 속도 조절, 온도 조절 같은 교류전류 기구에서 광범위하게 사용되고 있다. 소자의 스위치 동작을 조정하기 위해서 광 신호를 사용하는 광활성 사이리스터도 있다.

금속-반도체 전계효과 트랜지스터

금속-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-semiconductor field-effect transistor/MESFET)는 그 전도 과정에 주로 한 종류의 운반자만이 참여하기 때문에 단극성 소자이다.

MESFET는 아날로그 회로와 디지털 회로 양쪽에 응용될 수 있는 많은 특성을 가지고 있다. 또 높은 전자 이동도를 지닌 반도체(예를 들면 이동도가 실리콘보다 5배나 더 큰 비소화갈륨)로 만들어질 수 있기 때문에 특히 초단파 증폭과 고속 집적회로에 유용하다. MESFET는 단극성 소자이기 때문에 소수 운반자 효과에 의해 영향을 받지 않으며, 따라서 쌍극성 트랜지스터보다 스위칭 속도가 더 빠르고 작동 주파수가 더 높다.

MESFET의 개략도는 그림7-1에 나와 있다.

이것은 2개의 저항성 접촉을 지닌 전도 채널로 구성되어 있다. 2개의 저항성 접촉 중에서 하나는 소스(source)로, 다른 하나는 드레인(drain)으로 작용한다. 전도 채널은 고저항 반(半)절연성 기판에 의해서 지지되는 얇은 n형층으로 형성되어 있다. 소스에 대해서 드레인에 양의 전압이 걸리면 전자는 소스에서 드레인으로 흐른다. 따라서 소스는 운반자의 방출원이고, 드레인은 운반자의 흡수원이다. 3번째 전극인 게이트는 채널과 함께 정류특성 금속-반도체 접촉을 형성한다.

게이트 전극 밑의 음영(陰影)이 진 부분은 금속-반도체 접촉의 공핍 영역이다. 소스에 대한 게이트 전압의 증감은 공핍 영역의 증감을 일으킨다. 이것은 다시 전류가 소스에서 드레인으로 흐르는 데 이용될 수 있는 단면적을 변화시킨다. 그러므로 MESFET는 전압 제어 저항으로 생각할 수 있다.

그림7-2는 MESFET의 여러 가지 게이트 전압 V_G에 대해서 드레인 전류 I_D와 드레인 전압V_D의 관계가 나타나 있다.

주어진 게이트 전압에서(예를 들면 V_G=0) 처음에는 드레인 전류가 드레인 전압에 따라 선형적으로 증가하는데 이는 전도 채널이 일정한 저항체로 작용하는 것을 나타낸다. 그런데 드레인 전압이 커지면 전도 채널의 단면적이 감소되어 채널의 저항이 커진다. 그결과 전류의 증가는 둔화되고 결국에는 포화값에 다다른다.

주어진 드레인 전압에서 게이트 전압을 변화시킴으로써 전류를 변화시킬 수 있다. 그림의 예로써 V_D가 5V일 때 게이트 전압을 0.5V로 순방향 인가전압을 가하면 전류는 0.6~0.9㎃로 증가한다.

MESFET와 관련된 소자는 접합 전계효과 트랜지스터(JFET)이다. 그러나 JFET는 게이트 전극으로서 금속-반도체 접촉 대신에 p-n 접합을 사용한다. JFET의 작용은 MESFET의 작동과 동일하다.

전도 채널의 형태에 따라 기본적으로 4개의 서로 다른 형의 MESFET(또는 JFET)가 있다.

게이트 인가전압이 0일 때 전도성 n-채널이 존재하고 채널 전도성을 줄이기 위해서 그림7-2처럼 게이트에 음의 전압이 걸려야 한다면, 이는 n-채널 '정상 전도상태'(normally-on) MESFET이다. 채널 전도성이 게이트 인가전압 0에서 아주 낮고 n-채널을 형성하기 위해서 양의 전압이 게이트에 걸려야 한다면, 이 소자는 n-채널 '정상 차단상태'(normally-off) MESFET이다.

이와 유사하게 p-채널 정상 전도상태 및 p-채널 정상 차단상태 MESFET도 있다.

MESFET의 특성을 개선하기 위해서 이원반도체인 비소화갈륨과 삼원반도체인 비소화갈륨알루미늄과 같이 서로 다른 반도체의 접합으로 이루어진 다양한 이종접합 전계효과 트랜지스터(FET)가 개발되었다.

이종접합에는 보통 p-n 접합에서는 얻을 수 없는 많은 유용한 특성들이 있다. 그림8은 이종접합 FET의 단면을 보여주고 있다. 이종접합은 에너지 띠간격(band gap)이 큰 반도체, 예를 들면 에너지 띠간격 1.9eV인 Al_0.4 Ga_0.6As와 에너지 띠간격이 보다 작은 반도체, 예를 들면 에너지 띠간격 1.42eV인 비소화갈륨과의 접합으로 형성될 수 있다.

이 두 물질의 에너지 띠간격과 불순물 농도를 적당하게 조절함으로써 두 반도체의 경계면에 그림8처럼 전도성 채널을 형성할 수 있다. 이 전도성 채널의 전기전도도가 크기 때문에 그것을 통해서 소스-드레인 간에 큰 전류가 흐를 수 있다. 게이트에 전압이 가해지면 채널의 전기전도도는 게이트 전압에 의해 변화될 수 있고 결과적으로 드레인 전류에 변화를 가져온다. 이것의 전류-전압 특성은 그림7-2의 MESFET의 경우와 비슷하다. 만일 에너지 띠간격이 작은 반도체 물질의 순도가 높으면 전도성 채널에서의 전기 이동도가 아주 높아져 동작 속도를 보다 높여준다.

금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터

금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(Matel-oxidesemiconductor field-effect transistor/MOSFET)는 다이오드와 트랜지스터 같은 반도체 소자를 10만 개 이상 포함하는 초고밀도 집적회로(VLSI)를 제작하는 데 가장 중요한 소자이다.

MOSFET는 전계효과 트랜지스터군의 하나인데, 이 군에는 위에서 언급된 MESFET와 JFET도 포함되어 있다.

n-채널 MOSFET의 개략도는 그림9에 나와 있다. 이것은 MESFET와 비슷하게 보이지만 다음과 같은 4개의 주된 차이가 있다. ① MOSFET의 드레인은 저항성 접촉이 아니라 정류성 p-n 접합이다. ② 게이트는 금속산화물반도체 구조이다. 이는 절연체인 실리콘산화막이 금속 전극과 반도체 기판 사이에 끼워져 있다는 것을 의미한다. 반면에 MESFET에서 게이트 전극은 금속-반도체 접촉을 형성한다. ③ 게이트 전극의 왼쪽 모서리는 소자의 작동을 쉽게 하기 위해서 소스와 정렬되거나 겹쳐져야 한다. 반면에 MESFET에는 게이트와 소스의 겹침이 없다. ④ MOSFET는 4단자 소자이기 때문에 MESFET에 있는 소스, 드레인, 게이트 전극 외에 4번째의 기판 접촉이 있다.

MOSFET의 가장 중요한 소자 매개변수 중의 하나는 채널 길이로 그림9에 표시된 것과 같이 두 n^＋-p 접합 사이의 거리 L을 말한다. MOSFET가 처음 나왔던 1960년에는 채널 길이가 20㎛ 이상이나 되었으나 현재 1㎛ 이하 되는 것들도 대량 생산되고 있으며 연구소 실험실 수준에서는 0.1㎛ 이하 되는 것들도 실현되고 있다.

소스는 보통 전압기준점으로서 접지되어 있다. 게이트에 전압이 안 걸릴 때는 소스-드레인 간 전극은 2개의 p-n 접합이 등을 맞댄 꼴로 연결된 것에 해당한다. 따라서 소스에서 드레인으로 작은 누설전류만이 존재한다. 게이트에 양의 고전압이 인가되면 많은 전자들이 반도체 표면으로 끌려와 산화물층 바로 아래에 전도층을 형성한다. 그럼으로써 n^＋ 소스와 n^＋ 드레인이 n형의 전도층(또는 채널)에 의해 연결되어 많은 전류가 흐르게 된다. 이 채널의 전도성은 게이트 전압을 변화시킴으로써 변조시킬 수 있다.

그림7-2는 MOSFET의 전류-전압 특성을 보여준다. MOSFET는 전도층의 종류에 따라 n-채널 정상 차단상태, n-채널 정상 전도상태, p-채널 정상 차단상태, p-채널 정상 전도상태의 4종류로 나눌 수 있다. 이는 MESFET의 구분과 유사하다. MOSFET가 쌍극자 트랜지스터를 능가해서 고밀도 집적 회로를 위한 주된 소자가 된 주요이유는 다음과 같다. ① MOSFET는 쉽게 작은 크기로 줄여질 수 있다. ② 훨씬 적은 전력을 소비한다. ③ 비교적 간단한 과정을 거쳐서 만들어지기 때문에 생산 수율(전체 소자에 대한 동작 소자의 비율)이 높다.

MOSFET도 전력용 소자로서 점점 중요해지고 있는데 이는 MOSFET의 고전류에서 음의 온도계수를 갖기 때문이다. 즉 온도가 올라감에 따라 전류가 줄어든다. 이로 인해 소자 전체에 걸쳐 일정한 온도분포가 유지되고 쌍극자 트랜지스터에서 생기는 국부가열에 의한 파괴가 줄어든다.

반도체 공정기술

집적회로를 제작하는 데는 많은 개별 공정이 필요하다.

잘 동작하는 소자를 만들기 위해서는 각 공정이 정확히 조절되어야 하며 신중하게 연계되어야 한다. 특정한 공정이 소자마다 다를 수 있지만 전체 과정은 근본적으로 같다. 각 제조공정은 재료과학·화학·화학공학의 기본 원리에 크게 의존한다. 소자의 설계와 시험은 전기공학의 영역이다.

집적회로는 저항·트랜지스터·축전기·다이오드의 다양한 조합으로 이루어지지만 반도체 회로의 일반적인 구성과 동작은 그중 트랜지스터 하나만을 고려하여도 이해될 수 있다.

n-채널 금속산화막반도체(MOS) 트랜지스터(그림10)에는 p-형 실리콘 기판으로 확산하여 고농도로 도핑된(단위체적당 1,018개 이상의 불순물을 가짐) 2개의 n-형 영역이 있다. 이 기판의 위와 n-영역들 사이에는 이산화규소의 박막(0.03~0.3㎛)이 있고 이 위에는 알루미늄 박막이 있다.

금속산화막반도체란 용어는 이러한 샌드위치 구조에서 유래되었다.

n-채널 MOS 트랜지스터는 고농도로 도핑된 2개의 n-영역에 한쪽에는 음의 전압이, 다른 쪽에는 양의 전압이 가해진다. 이 영역들 사이의 전기전도는 p-형 실리콘의 표면이 n-형이 될 때, 즉 전자가 축적될 때만 일어난다.

이는 산화막 위의 금속 전극에 양의 전압을 가함으로써 일어난다. 이때 생기는 전기장은 채널 영역으로부터 양공을 밀어내고 전자를 끌어당긴다. n-영역들 사이에 전도를 일으키는 데 필요한 인가전압을 문턱전압 또는 '턴 온'(turn on) 전압이라고 한다. 이는 트랜지스터를 나타내는 가장 중요한 특성 중의 하나이다. 다른 반도체 소자뿐만 아니라 MOS 트랜지스터의 특정한 전기적 매개변수들도 인가전압, 도핑 농도, 소자의 물리적인 크기에 의해서 결정된다.

전자회로 제작의 현재 상태와 집적화의 한계를 나타내는, n-채널 MOS 트랜지스터의 제조공정이 비교적 간단하게 제시된다.

그림 11에서 보면 우선 청정한 p-형 실리콘 기판을 700℃ 이상의 온도에서 산소 또는 수증기에 노출시켜 산화시킨다. 이 과정에 의해서 불순물을 주입하는데 이때 마스크의 역할을 하는 이산화규소의 비정질층이 생긴다. 마스크로서의 역할은 대개의 불순물(여기서는 붕소·인·비소)이 실리콘보다 실리콘산화막에서 훨씬 느리게 확산하기 때문이다. 원하는 전기적 특성을 얻기 위해서는 p-형 실리콘을 선택적으로 도핑할 필요가 있다.

이는 사진 기술의 작업보다 더 정교한 리소그래피(사진식각술) 공정에 의해서 행해진다.

이 리소그래피 공정에서 기판은 리지스트라고 불리는 광감응성 박막(종종 중합체임)으로 코팅된다. 유리위의 크롬막에 형식을 형성한 마스크를 기판에 접촉 또는 근접시켜 기판을 자외선에 선택적으로 노출시킨다. 빛은 노출된 리지스트에 화학적 변화를 일으켜서(양성 리지스트일 경우) 용매에 녹도록 한다.

남아 있는 리지스트막은 보호막으로 작용하여 그 밑의 박막(이 경우 실리콘산화막)이 식각 또는 제거되는 것을 방지한다. 그후 기판을 식각용액조에 넣어 리지스트의 형식대로 실리콘산화막을 식각해낸다(실리콘산화막의 경우 플루오르화 수소산을 포함하는 용액을 사용함). 다음 초순수 탈이온 증류수에서 산의 잔여물을 씻어낸 후 나머지 리지스트를 벗겨내면 원하는 형식의 실리콘 산화막이 남는다.

식각공정에 의해 노출된 실리콘 표면이 p-형에서 n-형으로 도핑되는데, 이는 900℃ 이상의 온도에서 인 또는 비소를 포함하는 증기를 실리콘과 접촉시킴으로써 행해진다.

실리콘산화막이 남아 있는 곳에서는 그 밑의 실리콘이 도핑이 되지 않는다. 도핑 후 산화막이 제거된다. 다시 전체 실리콘 표면을 열적으로 산화시켜서 두꺼운 산화막을 n-형 실리콘 위에 형성시킨다. 그후 리소그래피와 식각공정을 거쳐서 구멍을 내어 p-형 실리콘이 노출되도록 한다.

산화공정을 1번 더 하여 p-형 실리콘 위에 얇은 산화막을 성장시킨다. 그리고 나서 금속층의 증착을 위해 n-형 실리콘까지 구멍을 낸다.

대개가 알루미늄인 얇은 도체박막은 기판 표면에 증착된다. 이후의 형식 형성 과정은 소자 사이를 고립시키는데 이 도체층이 칩 내에 생성된 여러 회로소자들(트랜지스터·저항 등) 사이를 연결해 준다. 이 시점에서 트랜지스터와 넓게는 회로가 전기적으로 완성된다.

공정이 다 끝난 기판 위에 또 1층의 실리콘산화막을 증착하여 전기적이며 역학적인 보호막으로 사용되도록 한다. 마지막으로 리소그래피와 식각공정을 하여 패키지로부터의 도선이 금속박막층과 연결되도록 보호막에 구멍을 낸다.