한국반도체 산업협회의 한국 반도체 아카데미에서 진행하는 "반도체 산업동향의 이해" 내용정리
2차시_반도체 제품의 종류와 특징
- 반도체의 종류
이전 글에서는 반도체가 무엇인지에 대해 살펴보았습니다. 반도체는 조건에 따라 전기가 흐를 수도 있고 흐르지 않을 수도 있는 물질이라는 것을 알았습니다. 그 조건으로는 물질의 온도변화, 광학적 조건, 불순물 함양 등이 있었습니다.
사실, 우리가 흔히 말하는 반도체는 물질 그 자체를 말하기 보다는 반도체를 이용해 만든 전자장치를 말합니다. 즉, 반도체 산업에서 말하는 반도체는 다이오드, 트랜지스터, CPU, GPU, RAM 등의 반도체 소자를 주로 이야기 합니다. 이러한 반도체 소자들은 각각의 역할이 다르고 종류도 다양합니다. 이번 차시에서는 반도체 소자의 종류와 그 원리에 대해서 알아보겠습니다.
반도체 소자는 일반적으로 개별소자와 IC로 구분되게 됩니다. 개별소자는 용어 그대로 각각의 반도체 소자들이 기능을 하는 것을 의미하고 IC는 Intergrated Circuit의 약자로 여러 개별소자들이 집적화되어 기능을 하는 소자를 의미합니다.
조금 더 자세하게 설명하자면, 예를 들어 다이오드, 트랜지스터라는 개별소자들이 있다고 하면 다이오드는 전류를 한쪽으로만 흐르게 하는 기능을 하고 트랜지스터는 증폭하거나 스위치 역할을 하는 각각의 기능을 수행하게 됩니다.
하지만 IC의 경우 개별소자 여러 개가 하나의 소자로 집적화되어 새로운 기능을 하게되는 것입니다.
- 개별소자
먼저 개별소자에 대해 알아보면 개별소자는 낱게로 되어있는 소자입니다. 즉, 소자 1개가 하나의 물체입니다. 대표적인 개별소자는 한 방향으로만 전류를 흐르게 하는 다이오드, 전류를 증폭 또는 공급 및 차단시키는 트랜지스터, 전기 에너지를 저장하는 커패시터가 있습니다. 그 밖에도 인덕터, 레지스터 등 다양한 소자들이 있지만, 오늘은 대표적인 이 3가지 소자에 대해 알아보겠습니다.
개별소자 중 첫번째, 다이오드(Didoe)는 회로에서 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 부품을 말합니다. 전류를 한쪽으로만 흐르게 하고 반대 쪽으로 흐르지 않게 하는 것을 정류작용이라고 하는데요. 다이오드의 이러한 특성을 이용해 교류를 직류로 변환시키는 정류기로도 사용할 수 있습니다.
다이오드의 동작원리는 수도관 내에 차단막을 상상 해보면 더 쉽게 이해 할 수 있습니다. 차단막이 한쪽 방향으로만 열리게 되는 방식으로 유체의 역류를 방지해주는 역할을 합니다. 먼저 수도관에 물이 흐를 때, 밸브가 열려 물이 한쪽으로 계속 흐르게 되고 이때, 외부환경의 변화로 물살의 방향이 반대로 바뀌게 된다면 어떻게 될까요? 반대 물살에 의해 차단막은 어느 순간 닫히게 되고 물의 흐름은 곧 막히게 됩니다. 이처럼 차단막이 수도관 속의 물이 반대 방향으로는 흐르지 못하게 막아주기 때문에 물이 한쪽 방향으로만 흐르게 되는 것입니다. 회로 내에서 다이오드는 차단막처럼 전류가 한 방향으로만 흐르게 만들어 줍니다. 그렇다면 다이오드 내부는 어떻게 구성되어 있을까요?
다이오드는 P-N접합 즉, P형 반도체와 N형 반도체의 접합으로 이루어져 있습니다. 흔히 전류는 전자의 움직임에 의해 전자의 이동방향의 반대방향으로 흐르게 되고 양공을 통해 전류를 흐르게 만드는 반도체를 P형 반도체라고 하며 남은 자유 전자를 이용하여 전류가 흐르게 만드는 반도체를 N형 반도체라고 합니다. 이러한 P형 반도체와 N형 반도체를 합친 것이 바로 다이오드이며 정확하게는 P-N접합 다이오드라고 합니다. 이렇게 P형과 N형 반도체를 접합시키게 되면 어떤 일이 벌어지게 될까요? 다이오드에 전선과 전지를 연결해봅시다.
P형 반도체는 전지의 양극에 연결되어 있고 N형 반도체는 전지의 음극에 연결되어 있습니다. +를 띄는 양공은 밀려나는 힘에 의해 양극에서 멀어지게 되고 마찬가지로 전자 또한 음극에서 더 먼 곳으로 이동하게 됩니다. 이에 따라 양공과 전자가 접합면으로 모이게 되며 이때 N형 반도체 쪽 전자들이 양공으로 이동하게 되고 이후 전선을 타고 이동하면서 전류가 흐르게 됩니다. 이것을 순방향 연결이라고 합니다.
이번에는 전압을 반대로 걸어보겠습니다. 전지의 끌어당기는 힘에 의해 양공과 전자가 접합면의 반대 방향 쪽으로 모이게 됩니다. 이렇게 되면 전자가 양공으로 넘어가지 못해 전류가 흐를 수 없게 됩니다. 이것을 역방향 연결이라고 합니다.
이렇게 전지의 방향을 어떻게 설정하느냐에 따라 전류를 흐르게 할 수도 흐르지 않게 할 수도 있는 것이 다이오드입니다.
이러한 다이오드가 가장 널리 쓰이게 되는 분야가 바로 LED라고 말하는 Light Emitting Diode입니다. LED는 P-N접합에서 N형 반도체의 전자가 P형 반도체의 양공으로 넘어갈 때 빛이 방출되는 소자로 흔히 발광소자라고 합니다. 이렇게 LED는 전기에너지를 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 소모전력이 적고 효율이 좋습니다. 또한 형광등에 비해 크기가 작고 수명이 길다는 장점이 있어 많은 곳에 활용되고 있습니다.
두번 째 개별소자인 트랜지스터(Transistor)는 최초의 반도체로 현대 전자기기를 이루는 기본적인 소자 중 하나입니다. 트랜지스터란 Trans (바뀜) + Resistor(저항)의 합성어로 전자회로 내에서 전자의 증폭과 스위칭을 담당하는 소자입니다. 앰프스피커를 예로 들어보겠습니다.
먼저 우리의 목소리 즉, 음성신호가 마이크로 들어가게 되면 마이크는 이 신호를 전기신호로 바꿔 주게 됩니다. 그 다음 앰프 안에 있는 트랜지스터가 이 전기신호를 증폭시키게 되고 증폭된 신호는 스피커를 통과하면서 우리가 들을 수 있는 큰 음성신호로 출력됩니다. 이런 과정을 통해 우리는 앰프 스피커를 통해서 실제 목소리 보다 훨씬 큰 소리를 들을 수 있게 되는 것입니다.
다음 트랜지스터의 스위칭 특성은 전류의 공급과 차단을 반복하는 것으로 디지털 회로에서는 이러한 트랜지스터의 스위칭 기능을 이용해서 0 (꺼짐)과 1(켜짐)을 구분합니다. 이렇게 회로에서 트랜지스터는 전류의 흐름을 컨트롤 하는 스위치 역할을 하게 됩니다.
세 번째 개별소자 커패시터(Capacitor)는 전기를 저장하는 소자입니다. 커패시터는 어떻게 전기에너지를 저장할 수 있을까요? 그 원리는 바로 구조에 있습니다. 커패시터는 두개의 도체 사이에 절연체인 유전체라는 물질이 들어 있어서 직접 전류가 흐를 수 없는 구조입니다. 그럼 커패시터의 동작원리를 간단하게 살펴보겠습니다.
커패시터의 양단에 전원을 연결해보았습니다. 앞서 커패시터는 구조 상 유전체라는 절연물질이 도체 사이에 있어서 전류를 흘려 보낼 수 없다고 설명했습니다. 이렇게 되면 커패시터의 왼쪽 기판에 있던 전자들은 커패시터를 통과할 수 없지만 전원장치가 있는 쪽으로 이동하여 반대 쪽 기판에 모이게 됩니다. 그럼 왼쪽 기판은 전자들이 점점 떠나게 되면서 +성질을 가지게 되고 오른쪽 기판은 전자들이 점점 쌓여 -극성을 지니게 됩니다. 전자들의 이동은 커패시터의 두 기판 사이 전위차이가 양단에 인가된 전원의 전압과 같아질 때 까지 계속 됩니다. 그리고 이 상태에서는 더 이상 움직일 수 있는 전자가 없기 때문에 전류는 흐르지 않게 됩니다. 이렇게 전자들이 분리된 상태를 충전이라고 부릅니다. 반대로 충전된 커패시터의 전자들이 원위치로 돌아가게 되는 것을 방전이라고 합니다. 커패시터는 이렇게 충전을 통해 에너지를 저장하고 저장된 에너지를 방전을 통해 소비하는 소자입니다. 이러한 커패시터의 특성을 가장 잘 활용한 IC소자가 바로 메모리 소자입니다. 메모리 소자는 커패시터의 충전, 방전 효과를 이용해 정보를 소자에 저장하게 됩니다. 지금까지 대표적인 개별 반도체 소자에 대해 알아보았습니다. 하나의 개별소자가 가지는 기능은 굉장히 단순해 보이지만 이러한 소자들이 여러개가 모여 복잡한 회로를 구성하게 되면 아주 다양한 기능을 수행할 수 있게 되는 것입니다.
- 집적회로 (IC)
그렇다면 개별소자 외에 두 개이상의 소자가 모여 있는 것을 무엇이라 할까요? 바로 Intergrated Circuit, 집적회로라고 하며 약자로는 IC라고 합니다.이러한 집적회로는 기능에 따라 메모리 IC와 시스템 IC로 분류됩니다. 메모리 반도체는 우리가 익히 알고 있는 DRAM / SRAM, ROM, Flash Memory 등이 있으며 시스템 반도체에는 Mobile AP, DSP, MPU 등이 있습니다. 그렇다면 메모리 반도체와 시스템반도체의 차이는 무엇일까요? 핵심은 정보를 저장하느냐 혹은 처리하느냐 입니다. 메모리 반도체는 정보를 저장하고 기억하는 반도체이며 시스템 반도체는 연산과 추론 등 정보를 처리하는 반도체입니다. 그럼 메모리 반도체와 시스템 반도체에 대해 알아보겠습니다.
먼저 메모리 반도체란 반도체 회로를 전기적으로 제어함으로써 데이터를 기억하고 저장하는 반도체 회로 장치입니다. 이름 그대로 정보를 기억하는 역할을 합니다. 우리가 컴퓨터로 작업을 하거나 스마트폰으로 사진을 찍으면 어딘가로 저장이 되는데 이는 메모리 반도체가 있기 때문에 가능한 일입니다. 이러한 메모리 반도체는 크게 램(RAM)과 롬(ROM) 두 가지로 나뉘는데요. 이렇게 나뉘는 이유는 정보를 기억하는 방식이 다르기 때문입니다. 램은 전원이 꺼지면 내용이 삭제되는 휘발성 메모리이며 롬은 전원이 꺼지더라도 저장내용이 보존됩니다.
먼저 램에 대해 알아보겠습니다. 우리는 서재에서 공부하기 위해 보통 책장에서 책을 꺼내어 책상 앞에 앉습니다. 책상에는 읽어야하는 책을 여러 권 쌓아두고 읽기도 하며 불필요한 책은 치우기도 합니다. 여기서 책을 정보라고 한다면 책상 역할을 하는 것이 바로 램입니다. 이렇게 자유롭게 정보를 쌓을 수도 또 지울 수도 있어서 Random Access Memory, RAM이라고 부르게 됩니다. 또는 전원이 꺼지면 저장된 정보가 사라진다고 해서 휘발성 메모리라고 부르기도 합니다. 램은 데이터를 고속으로 쓰고 지울 수도 있다는 장점 때문에 주로 컴퓨터의 주기억 장치에 많이 사용됩니다. 특히 DRAM은 전체 메모리 시장의 절반을 차지할 만큼 높은 효율성을 자랑하고 있습니다. 램은 컴퓨터의 주기억장치로서 cpu가 하드디스크에서 필요한 데이터를 불러와 빠른 속도로 처리할 수 있도록 데이터를 임시저장하는 역할을 하기도 합니다. PC에서 cpu가 사람이라고 하면 램은 작업대 또는 책상이 되는 것입니다. 이런 특성 때문에 PC의 용량이 크면 클수록 더 고사양으로 프로그램 실행이 가능하며 데이터 처리 속도 또한 빨리지게 되는 것입니다.
이러한 램은 정보저장 방식에 따라서 다시 DRAM과 SRAM으로 나뉘게 됩니다. DRAM은 정보를 기억하는 하나의 셀이 앞서 배운 개별소자 중 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터로 이루어집니다. 다른 IC와 비교했을 때 비교적 단순한 구조를 가집니다. 이 때문에 SRAM 대비 용량이 크고 비교적 저렴하게 생산될 수 있습니다. 이러한 장점때문에 현재 가장 널리 사용되는 RAM 되었습니다. 반면 SRAM은 한 셀이 6개의 트랜지스터로 구성되어있고 DRAM보다 용량이 적고 생산단가가 높지만 전력소모가 적고 속도가 빠른 장점을 가지고 있습니다. 때문에 높은 처리속도와 저전력소비를 필요로 하는 무선통신 장비, 디지털 카메라, 인베디드 시스템 분야에 활용됩니다.
롬은 Read Only Memory의 약자이며, 우리가 읽지 않거나 책상위에 두기에는 너무 많을 때 책장에 책을 넣어두는데 책장의 역할을 하는 것이 롬입니다. 롬은 따로 지우지 않은 이상, 전력이 공급되지 않아도 정보가 사라지지 않기 때문에 DRAM이다 SRAM과 달리 비휘발성 메모리라고 부릅니다. 롬 또한 그 안에서 다양한 메모리가 있는데, 그 중 주목할 만한 것이 Flash Memory입니다. 플래시메모리는 데이터를 영구적으로 저장하는 롬의 장점과 데이터를 빠르게 쓰고 지울 수 있는 롬의 장점 모두 가지고 있습니다. 그래서 스마트폰이나 pc의 보조기억장치로 사용되고 있습니다. 대표적인 플래시메모리의 제품으로는 NAND Flash가 있습니다. 낸드플래시 또한 메모리 반도체 시장의 43%를 차지하고 있을 정도로, 우리나라 반도체 시장의 주력 제품입니다. 메모리 반도체는 데이터 생산량이 기하급수적으로 늘어나면 사물인터넷, AI, 빅데이터 기술과 함께 그 수요가 꾸준히 늘어나고 있습니다.
앞서 롬은 책장, 램은 책상, 책은 정보를 의미했었는데 , 여기서 이 책을 읽는 사람의 역할을 하는 것이 시스템 반도체입니다. 즉, 정보처리를 목적으로 만들어진 반도체를 말합니다. 시스템 반도체는 주로 전자제품의 두뇌 역할을 하는 칩으로 많이 사용되어 각종 전자기기에 필수적으로 들어가고 있습니다.
이러한 시스템 반도체는 크게 마이크로 컴포넌츠, 아날로그 IC, 로직IC, 광학반도체로 구분할 수 있습니다.
먼저 마이크로 컴포넌츠(Micro components)는 전자제품의 두뇌역할을 하는 시스템 반도체입니다. 각종 전자기기의 작동에 필요한 수많은 명령어를 담고 있습니다. 마이크로 컴포넌츠에는 MPU, MCU, DSP 등이 있는데요, 대표적으로 MPU에 대해서 살펴보겠습니다. MPU는 줄여서 Micro Processor라고도 합니다. MPU는 컴퓨터의 중앙처리장치인 CPU를 단일 IC칩에 대규모 집적화하여 아주 작게 만든 반도체입니다. 한 마디로 소형화된 CPU가 바로 MPU입니다. CPU는 기억, 연산, 해석, 제어의 핵심 기능을 수행하는 중앙처리장치 역할을 합니다. CPU가 메모리 기능을 하는 RAM, ROM과 함께 기능을 하는 것 처럼 MPU 또한 RAM, ROM과 함께 동작합니다.
다음은 아날로그 IC입니다. 아날로그 IC 살펴보기 전에 먼저 아날로그와 디지털에 대한 개념을 살펴보겠습니다.
쉽게 살펴보면 아날로그는 연속적인 신호이고 디지털은 비연속적인 신호로 0과1로 표현되는 연속되지 않은 신호입니다.
아날로그 IC는 음악, 영상, 사진, 온도 등과 같이 연속적으로 변화하는 연속적인 신호를 컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 바꿔주는 반도체입니다. 이러한 아날로그 IC에도 여러종류가 있습니다. 아날로그 신호를 연산하거나 증폭시키기 위한 OP-Amp(Operational Amplifiers)가 있고 효율적으로 전력을 사용할 수 있게 하는 PMIC(Power Management IC)가 있습니다. Op-Amp(연산증폭기)는 아날로그 신호를 연산하거나 증폭시키기 위한 반도체로 무선통신, 라디오 분야 등에서는 신호를 합치거나 전자파의 증폭을 키워 멀리 보내기 위해서 사용하며 스피커에서는 소리의 신호를 강하게 하기위해 연산증폭기를 사용합니다. PMIC(전력반도체)는 전자기기에 들어오는 전력을 적합하게 변환하고 배분 및 제어하는 역할을 합니다. 여러 IC의 전압과 상태를 복합적으로 제어하며 전자제품에 흐르는 전력을 총괄합니다. 무선, 휴대용 기기가 소형화 됨에 따라서 더욱 고도화된 기술을 요하는 제품입니다.
로직IC는 논리회로라고도 하며 연산을 실시하기 위해 사용되는 반도체 입니다. 대표적인 로직IC로는 DDI(Display Driver IC)가 있습니다. DDI는 디스플레이 화면을 구성하는 수많은 화소들을 구동해 우리가 볼 수 있는 다양한 색으로 구현하도록 만들어 주는 반도체입니다. 디지털 신호를 삼원색인 RGB, 아날로그 값으로 전환하여 Tv나 스마트폰에 들어가는 디스플레이 패널에 전달하고 우리가 화면을 통해 영상을 볼 수 있게 만들어줍니다. 또한 대표적인 로직 IC로는 AP(Application Processor)가 있습니다. 휴대폰에 두뇌로 불리는 반도체 입니다. 모바일 AP에는 메모리, 그래픽카드, 저장장치 등 한개의 칩에 완전구동이 가능한 제품과 시스템이 들어있어 시스템 온칩(Soc)라고도 합니다. 모바일 AP의 대표적인 예로는 삼성전자의 앱시노스, 퀄컴의 스냅드래곤 애플의 바이오닉 칩등이 있습니다.
마지막으로 광학반도체는 빛을 전기 신호로 변환해주거나 전기신호를 빛으로 변환해주는 반도체로 이미지 센서와 LED 등이 있습니다. 이미지 센서는 카메라 렌즈로 보이는 물체를 휴대폰 화면에 볼 수 있게 합니다. 이미지 센서는 카메라 렌즈로 들어온 빛을 디지털 신호로 변환해 컴퓨터나 전자기기가 다시 이미지로 보여질 수 있도록 돕는 반도체 입니다. 이미지 센서는 개별소자 중 빛을 받으면 전류가 흐르도록 만들어진 포토다이오드가 집적되어 만들어진 IC입니다. 스마트폰 카메라, 스마트 TV, 보안시스템 등 이미지를 디지털 데이터로 전환해야하는 다양한 기기에 광범위 하게 사용되며 나아가 자율주행 자동차, 사물인터넷에도 사용되는 아주 중요한 반도체입니다.
이처럼 시스템 반도체는 다양한 전자제품에서 핵심 역할을 담당하고 있기 때문에 회로가 복잡하고 그 종류가 매우 다양합니다. 시스템 반도체는 그 만큼 수요가 높아 전 세계 반도체 시장의 70%를 차지하고 있는데요 이에 정부가 3대 육성 산업으로 시스템 반도체 산업을 선정하기도 했습니다. 메모리 반도체는 구조가 단순하고 그 종류가 많지 않아 설계에서 생산까지 한 업체가 맡아 대량생산이 가능하지만 시스템 반도체는 고도의 설계 기술이 필요하고 앞서 말한 것 처럼 제품 종류가 매우 다양하기 때문에 여러 업체가 함께 역할을 나누어 생산하는 것이 유리합니다.
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