메모리스틱, MP3 플레이어, 디지털 카메라 등에 사용되는 플래시 메모리는 전원이 꺼져도 데이터를 가지고 있는데 그 원리는 무엇인가? 그리고 플래시 메모리는 읽기만 가능한 롬(ROM)의 일종이라 하던데 어째서 사용자가 데이터를 쓸 수 있는 것일까? 왜 S램은 D램에 비해 용량이 적은 것일까? 왜 전자제품들은 최근 것일수록 전기를 적게 사용하는 것일까? 이 책은 '반쯤 도체'인 반도체에 관한 온갖 궁금증을 풀어 주는 친절한 교양공학서이다.
10년 후 세계, 유비쿼터스 시대를 이끄는 지성사의 ‘교양공학서’ 시리즈
반도체를 둘러싼 갖가지 의문부호들, ? ? ? …
앞으로 10년 후면 부지불식간에 온갖 컴퓨터에 둘러싸여 살게 된다는 ‘유비쿼터스(Ubiquitous) 시대’가 도래한다고 한다. 그리고 그 유비쿼터스의 핵심에는 신비한 작은 돌 ‘반도체’가 존재하고 있다.
반도체 하면 흔히 손톱만 한 크기에 신문 몇 장의 내용을 저장한다고들 한다. 그러면 그 크기는 실제로 얼마만 한 것일까? 사람 머리카락은 직경이 약 100마이크로미터이고, 대장균은 폭이 약 0.7마이크로미터에 길이가 2~3마이크로미터인데, 현재의 반도체 기술은 그 대장균의 등 위에 수십 개의 트랜지스터를 집적시킬 수 있다. 요즘 뜨는 기술인 ‘나노테크놀로지’를 사용하면 수백 개까지 집적이 가능하다. 그리고 이 트랜지스터 한 개는 손가락 길이의 진공관 한 개가 하던 일을 수행한다.
그렇다면 ‘마법의 돌’, ‘산업의 쌀’, ‘전자산업의 꽃’, ‘20세기 최대의 발명품’이라고 칭송하는 반도체란 도대체 무엇일까? 10년 후 세계를 살아갈 우리는 반도체에 대해 과연 얼마나 이해하고 있을까?
질문 하나, 반도체란, 말 그대로 ‘반쯤 도체’라는 의미이다. 그런데 왜 전기가 잘 통하는 멀쩡한 ‘도체’를 놔두고 ‘반쯤 도체’를 사용하는 것일까? 효율이 떨어지지는 않을까 ? 아니면 도체에 비해 반쯤의 전기를 가지고 뭔가 특별한 일을 하는 것일까? 혹시 에너지 보존의 법칙에 어긋나는 것은 아닐까? 천 년도 넘은 신라의 고분에서도 유리잔과 유리병들이 출토된다. 현재 대표적인 반도체 물질은 실리콘, 즉 규소이고, 우리가 흔히 접하는 규소는 유리이다. 그렇다면 이미 천 년 전에도 반도체를 이용해왔는데 근래에 새삼스럽게 반도체라고 호들갑을 떠는 이유는 무엇일까?
질문 둘, 흔히들 ‘디지털’ 하면 ‘정확한 것’, ‘최신의 것’으로, ‘아날로그’ 하면 ‘부정확한 것’, ‘옛날 것’이라고 인식한다. 과연 그럴까? 우리나라가 이미 2천 년쯤 전부터 디지털 통신을 사용해왔다면, 그리고 이미 1천5백 년쯤 전부터 국가 차원의 디지털 통신체계를 정비하고 관리해왔다면? 그리고 또한 디지털이란 것이 근본적으로 부정확하다면?
질문 셋, 메모리스틱, MP3 플레이어, 디지털 카메라 등에 사용되는 플래시 메모리는 전원이 꺼져도 데이터를 가지고 있는데 그 원리는 무엇일까? 그리고 플래시 메모리는 읽기만 가능한 롬(ROM)의 일종이라 하던데 어째서 사용자가 데이터를 쓸 수 있는 것일까? 왜 S램은 D램에 비해 용량이 적은 것일까? 왜 전자제품들은 최근 것일수록 전기를 적게 사용하는 것일까? 팹(FAB)은 뭐고 팹리스 컴퍼니(FABless company)는 무엇이며, 반도체 조립 사업은 반도체 사업과 뭐가 다를까?
이 책은 이러한 반도체에 관한 온갖 궁금증을 풀어주는 친절한 ‘교양공학서’이다. 21세기 유비쿼터스 시대를 맞이하여 새로운 교양을 쌓아보자.
물을 닮은 돌, 반도체
반도체에 전기가 흐르는 원리는 물에 전기가 흐르는 원리와 비슷하다. 순수한 물은 전기가 흐르지 않는데 물속에 함유된 불순물들 때문에 전기가 흐르는 것이다. 반도체도 마찬가지이다. 불순물들을 주입시켜 전기를 통하게 하는 것이다.
우리는 중학교 때 이미 ‘전압’과 ‘전류’와 ‘저항’의 관계를 배웠다. 이른바 ‘오옴의 법칙’ 말이다. 쉽게 설명하자면, 전압은 저수지의 물 높이에 해당하고, 전류는 저수지에서 ...방류되는 물의 흐름과 같으며, 저항은 수문의 폭에 해당된다. 저수지에 물이 많이 채워져 수위가 높아졌을 때 수문을 열면, 수위가 낮을 때 수문을 연 경우보다 시간당 더 많은 물이 방류될 것이다. 즉 전압이 높으면 전류가 커지는 것이다. 그렇다면 수위가 같을 경우, 수문을 조금 열었을 때와 많이 열었을 때 어느 쪽이 시간당 흘러나가는 물의 양이 많을까? 물론 답은 후자일 것이다. 여기서 수문이 조금 열린 것은 저항이 큰 것이고, 수문이 많이 열린 것은 저항이 작은 것이다. 즉 저항이 작으면 같은 전압에서 더 많은 전류가 흐르는 것이다.
전기를 띤 입자, 즉 ‘전하’를 저장하는 소자가 캐패시터이다. 우리가 흔히 사용하는 충전지를 연상하면 된다. 그 캐패시터는 저수지에 해당하고, 물 입자 하나하나는 전하에 해당된다. 일단 저수지의 면적이 크면 많은 물을 저장할 수 있다. 또 저수지의 댐의 높이가 높을수록 같은 면적이라도 더 많은 물을 저장할 수 있다. 그래서 면적이 크면 클수록, 또 전압이 높으면 높을수록 캐패시터는 더 많은 전하들을 저장할 수 있는 것이다.
반도체 설계는 조각 예술과 같다?
한쪽으로만 전류가 흐르는 반도체 다이오드는 재래식 펌프의 원리와 같고, 반도체 모스의 동작 원리는 수도관에서 물이 흐르고 멈추는 원리에서 배울 수 있다. 또한 반도체 내부의 동작 원리는 초등학교 시절에 이미 배운 ‘같은 극끼리는 밀치고 다른 극끼리는 당기는’ 자석의 원리로 이해할 수 있다. 그리고 반도체 제조 과정과 원리는 중학교 시절 미술시간에 배운 판화 기법―여러 가지 색을 찍어내는 다색 판화와, 양은 쟁반에 파라핀을 바르고 그림을 새긴 뒤 초산으로 부식시켜 찍어내는 에칭 판화―과 같다.
이 책은 이렇듯 복잡한 수식 없이 단지 중학교 수준의 과학 지식만으로도 이해할 수 있도록 반도체의 전반적인 기술들을 서술적으로 풀어 썼다. 반도체가 뭔지 궁금한 사람들, 이공계를 전공하지 않아 기술부서는 아니지만 반도체 관련 회사에 다니거나 입사를 고려하고 있는 사람들, 많은 시간과 비용을 투자하기에 망설여지는 사람들, 그리고 앞으로 반도체를 전공해볼까 고민 중인 고교생들 혹은 대학 신입생들을 위해 씌어졌다. 부담 없이 책을 읽다 보면 중고교 과학 시간에 평생 쓸모가 없을 것 같아 보이던 과학 이론들을 왜 가르쳤는지 깨닫게 될 것이다.
1. 회로를 인쇄한다고?
2. 반도체
3. 반도체의 변천
4. 접두사만의 대화
5. 모스란?
6. 여러 가지 판화
7. 반도체는 판화다
8. 저수지, 펌프 그리고 밸브
9. 논리의 설계
10. 레이아웃과 검증
11. 여러 가지 설계 방식
12. 여러 가지 메모리들
13. 조선시대의 디지털 통신
14. 반도체의 원자 구조
15. 반도체에 관련한 질문들
참고문헌
강구창 [저]
1964년 출생. 서울사대부고와 연세대학교 전자공학과를 졸업하고 1987년 현대전자 반도체연구소에서 연구원 생활을 시작했다. 현대전자 시스템 IC연구소 책임연구원, 아남반도체 디자인서비스팀 부장, (주)인타임 실장을 거쳐 현재 저대기 전력 소모(Low Standby Power Consumption) 반도체 설계를 주력으로 하는 (주)맥궁반도체 대표로 있다. 20여 년간 반도체를 연구하면서 EEPLD, PLL, RAMDAC, DTS, MPEG2 Decoder, MP3 Decoder 등 10여 개의 시스템 IC를 설계해왔다.
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