Transistor와 반도체 제조 공정

Transistor

반도체 기술을 이용해 만들어지며, 얇은 실리콘판 위에 여러 기체를 붙여서 만들어진다.

 

1947년 Bell lab에서 개발되었고, 현재 tansistor을 이용하여 ALU, 프로세서, 컴퓨터 등을 만들고 있다.

또한 AND, OR, NOT 게이트들도 트렌지스터로 만들고 있다.

* ALU : Arithmetic and Logic Unit (산술 논리 연산 장치)

transistor의 모습

transistor 도면

 

참고 : 컴퓨터 공학 vs 전자 공학

컴퓨터 공학과 전자공학은 서로 다른 abstraction level에 있다.

→ 컴퓨터 공학은 주어진 AND, OR, NOT 게이트들을 이용하여 CPU을 만드는 것에 중점을 두지만,

    전자 공학은 AND, OR, NOT 게이트를 만드는 것에 중점을 둔다.

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AND, OR, NOT gates

NOT gate (Inverter)

2개의 트랜지스터로 구성된다.

V=0 일 때 전원과 연결이 되기 때문에 output=1이 된다.

V=1 일 때 전원과 연결이 끊기기 때문에 output=0이 된다.

트랜지스터를 이용한 Not gate의 표현

 

AND gate

4개의 트랜지스터로 구성된다.

만약 p, q가 0이라면 아래 그림처럼 전원과 연결되지 않기 때문에 output이 0이 된다.

 

전원과 연결되어 output=1이 되기 위해서는 위쪽(동그라미)의 직렬로 연결된 2개의 트랜지스터가 모두 ON 상태여야 한다.

따라서 p, q가 모두 1이 되어야한다.

AND gate (p, q가 모두 0일 때)

 

OR gate

4개의 트랜지스터로 구성된다.

p, q가 모두 0일 때 아래 그림에서처럼 전원과 연결되지 않기 때문에 output=0이 된다.

 

output=1이 되기 위해서는 전원과 연결된 위쪽(동그라미) 부분에 전원이 들어오면 된다.

그런데 동그라미 부분은 2개의 트랜지스터가 병렬로 연결되어 있기 때문에 2개의 트랜지스터 중 1개만 ON으로 변경되면 된다.

따라서 p나 q 중 1개 이상이 ON 상태이면 된다.

OR gate (p, q가 모두 0일 때)

 

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반도체 제조 공정

반도체 제조 공정

트랜지스터는 얇은 실리콘 판 위에 여러 물질이 올라가져 있는 형태이다.

 

여러 물질 중 하나의 물질을 만드는 각 과정을 반도체 제조 공정(fabrication)이라 한다.

즉, 트랜지스터는 여러 반도체 제조 공정을 통해 만들어 지고, CPU의 경우는 20~40 공정이 필요하다.

 

최소 선폭(Minimum feature size)과 성능

신호가 움직이는 거리가 성능에 영향을 미친다.

따라서 반도체의 크기가 작을 수록 신호가 적게 이동하기 때문에 동작 속도가 더 빨라진다.

 

최소 선폭이 작을수록 집적도가 높고, 속도도 빨라진다.

만약 최소 선폭이 1/2로 줄었다면 가로, 세로가 각각 1/2로 준 것이기 때문에 전체 크기는 1/4로 줄게 된다.

 

IC 제조 과정

아래 사진의 과정을 거쳐 제조된다.

1. 먼저 실리콘을 작게 자르고 원판 모양의 실리콘(wafer)로 만든다.
2. 반도체 공정을 통해 wafer 위에 선로가 놓여지고 정상작동하는지 테스트하게 된다.
3. 불량을 포함하여 wafer을 작은 조각인 die로 자르고 불량이었던 부분을 제거한다.
4. 이후 die에 강도, 방열 등을 처리하여 패키징 한후 불량 테스트를 진행한다.
5. 불량인 부분을 버리고 정상인 부분을 출하한다.

 

Yeild

Wafer로 부터 작은 조각인 die가 만들어지게 되는데, 이 때 불량인 die는 폐기되고 정상인 die만 이후 과정을 거친다.

이 때 하나의 wafer에서 만들어지는 정상 die의 비율을 yeild(수율)이라 한다.

"Yeild = 정상 dies 수 / 1wafer"로 나타낼 수 있다.

 

IC 제조 과정 (출처 :  Hennessy and Patterson slide, Computer Organization and Design)