반도체란 무엇인가, 대략적 개요

반도체란 무엇인가

 대부분의 많은 사람이 '반도체'라는 용어를 일상에서 쉽게 접하는 시대가 됐다. 주변에서도 쉽게 반도체가 들어간 제품을 찾아볼 수 있는데, 웬만한 전자제품에서는 반도체가 들어가 있지 않은 경우가 더 적을 것이다.

 반면 반도체에 대한 우리의 접근성에 비해 반도체의 개념에 대해서는 쉽게 이해하지 못하는 경우가 많다. 이는 반도체 물질, 반도체 소자, 반도체 제품 등의 개념을 구분하지 않고 혼용하는 경우가 많기 때문이다. 우리가 흔히 반도체라고 하는 것은 반도체 소자나 반도체 제품을 의미한다. 이 말은 반도체라는 용어는 다른 것을 말한다는 것이다. 실제로 반도체라는 용어는 특정한 성격을 띠는 물질을 말한다.

 전기전도도가 높아서 전자나 정공 등의 전하가 잘 이동하는, 즉 전류가 잘 하루는 물질을 도체라고 한다. 거의 모든 금속이 여기에 속한다. 대표적인 예로 건전지의 양극과 음극을 알루미늄 포일로 연결하면 전류가 흐르면서 알루미늄이 타는 것을 볼 수 있다. 이에 비해 전류가 잘 흐르지 않는 물질을 부도체라고 한다. 주변에서 흔히 보이는 부도체는 유리, 목재, 도자기, 플라스틱 등이 있다. 이것들은 저항이 아주 커서 전압을 인가했을 때 전류가 거의 흐르지 않아 다른 말로 절연체라고 하기도 한다.

 반면에 반도체는 위와 같이 명확한 정의를 가지지 않는다. 전기전도도로 나타내면 도체와 부도체의 중간 정도가 되는 물질을 반도체라고 할 수 있는데, 그 범위는 각자 해석하기 나름이라서 사람들의 편의에 따라 일정 범위를 정하여 반도체라고 한다. 반도체는 순수한 상태에서는 전기가 잘 흐르지 않는 부도체와 비슷한 특성을 보이나 특정한 처리를 거치면 전기전도도가 늘어나 전류가 잘 흐르게 된다. 즉, 반도체라는 물질은 사람의 의도에 따라 전류의 흐름을 제어하기에 적합한 물질이다.

 일단 반도체 제품에는 어떤 것들이 있는지 먼저 알아보고, 이와 관련한 반도체 시장에 대해 포스팅할 것이다. 기회가 된다면 반도체 소자의 종류와 특징, 반도체 소자를 만드는 과정인 반도체 공정에 대해서 다루어보도록 하겠다.

 반도체를 이용해 제작한 MOSFET, 플래시 메모리, LED 등을 반도체 소자라 한다. 이러핳ㄴ 반도체 소자를 조합하여 제작한 CPU나 SSD와 같은 제품을 소비자에게 제공하게 된다. 이처럼 주로 전자 제품의 부품 형태로 사용되는 것들을 반도체 제품이라고 한다.

 반도체 소자와 제품이 발명된 후 전자제품은 급격한 발전을 하게 되었다. 전자제품이 끊임없이 발전할 수 있었던 것은 다음과 같은 사람들의 욕구를 충족시킬 수 있었기 때문이다. 자연스레 찾는 사람들이 늘어났고 그 시장을 바탕으로 더 나은 제품이 등장하는 선순환이 가능해졌다. 전자기기를 찾는 사람들의 욕구를 간단히 줄이면 아래와 같다.
1. 속도가 느리지 않아 사용 시 답답하지 않은 것
2. 구입할 때와 사용할 때 비용이 많이 들지 않은 것 (가격)
3. 언제, 어디서나 쓸 수 있으며 들고 다니기 편한 것 (편의성, 휴대성)
4. 미적으로 아름다운 것 (심미적 기능)

 이와 같은 사람들의 욕구를 충족시키려면 결국 전자제품 안에 들어가는 반도체 소자와 제품 역시 꾸준히 변화해야 한다. 위의 항목들을 만족하게 하기 위해 반도체 제품에 요구되는 항목은 아래와 같다.
1. 고속 동작을 위한 소형화, 미세화
2. 저렴한 가격으로 제공하기 위한 집적화
3. 낮은 에너지 소비를 위한 고효율, 저전력 동작

 대표적 반도체 소자인 트랜지스터와 이것을 이용한 반도체 제품의 발전사는 위의 목적을 충족시키는 방향으로 끊임없이 진행되었다. 트랜지스터는 특정한 전기적 조건에서 신호 증폭과 스위칭 동작을 하여 반도체 제품의 동작 특성을 결정하는 핵심 소자다. 트랜지스터의 특성 중에서 전자제품과 반도체 제품에서 가장 우선으로 여기는 항목인 성능과 직접적인 관련이 있는 것은 고속 동작이다. 트랜지스터의 동작 속도를 높이기 위해서는 소자를 가로질러 이동하는 전자의 이동 시간을 줄여야 한다. 이동 시간은 결국 거리에 반비례하기 때문에 반도체 소자의 크기를 줄이는 노력이 끊임없이 지속되어 왔다. 이에 따라 초창기 반도체 소자의 크기는 수 마이크로미터 수준이었으나 최근에 제작되는 반도체 소자의 크기는 최소 선폭이 불과 수십 나노미터 수준에 불과할 정도가 되었다.

 트랜지스터의 속도 향상을 위한 미세화에 더해, 반도체 제품 전체의 속도를 높이고 제품의 면적을 줄여 소형화하기 위한 새로운 제품에 대한 요구가 있었다. 이에 트랜지스터, 저항, 도체 축전기 등을 연결하여 한 회로 위에 구현하는 집적회로가 등장하여 제품의 소형화를 실현하게 되었다. 집적회로의 등장으로 회로의 대량생산이 가능해져 반도체 제품 가격을 급격히 떨어뜨리게 되었고, 이에 따라 반도체 제품을 사용한 전자제품이 더욱 널리 사용되었다.

집적화와 관련한 유명한 용어로는 '무어의 법칙'이 있다. 반도체 집적회로의 성능이 24개월마다 2배씩 증가한다는 법칙으로 1965년 인텔의 설립자인 고든 무어가 발표한 것이다. 다만 이 법칙은 단순한 예견에 불과한 것이었는데 되려 무어의 법칙에 맞도록 로드맵을 짜고 이를 맞추기 위해 엔지니어들이 고군분투하는 결과를 낳게 되었다. 최근 들어 무어의 법칙은 한계에 도달하였다는 의견이 지배적이지만 한편으로는 아직도 이를 연장하기 위한 노력이 진행되고 있다.

 최근 들어서는 고효율, 저전력 동작을 위한 노력이 필요하게 되었다. 배터리를 이용한 포터블 전자제품들이 등장하면서 전자제품의 사용 시간 역시 구매자가 고려할 구매 요소가 되었기 때문이다. 배터리를 늘리는 것도 하나의 방안이 될 수 있으나 무게가 증가하는 등 전자제품 개발 추세와는 맞지 않는다. 따라서 이를 보완하기 위해 소형화, 고효율화, 저전력화된 반도체 소자와 제품의 개발이 필수가 되었다. 저전력 소자 개발에는 공정(소자 제작) 미세화뿐 아니라 전력 낭비를 방지하는 설계, 절연 특성과 전기 전도 특성에 적합한 재료를 개발하는 연구 등이 병행되어야 한다.