지식보관소_ CPU와 반도체는 어떻게 동작할까? 반도체에 대한 쉬운 설명

 

 

최근 일본과의 외교 문제로 인해 시끄러운 상황인데요.

일본이 규제한 3대 수출품은

제조 기업 기반인 우리나라

특히 반도체 산업에 큰 타격을 준다고 합니다.

 

그렇다면 여기서 얘기하는 반도체는 무엇이고

어떤 원리로 동작을 하게 될까요?

 

사실 전기전자공학을 전공한 사람들 입장에서는

이게 누구나 상식적으로 알고 있고

뭐 이런 당연한 이야기로 영상을 만들고 있나

의아해하실 수 있어 있겠지만

학생분들이나 일반분들을 위해 간단하게 설명하자면

도체는 전기가 흐르는 물질이고

부도체는 전기가 안 흐르는 물질을 말합니다.

그리고 반도체는 반만 전기가 흐르는 물질입니다.

그럼 이만.

 

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농담이고 다시 제대로 설명하자면

반도체의 핵심은

필요에 따라 전류가 흐르게 할지, 흐르지 않게 할지 결정할 수 있는

트랜지스터라고 볼 수 있습니다.

 

이걸 알려면

왜 전류가 흐르는지부터 알아야 되는데요.

전류가 흐른다고 하는 건 전자의 이동을 말합니다.

 

도체에서 전류가 흐르는 원리는

고등학교 물리 시간에 배울 수 있는 것으로 기억하는데요.

 

반도체에서 중요한 것은

이런 원자의 화학 구조입니다.

이 세상의 모든 물질은 원자로 이루어져 있고

이런 원자들은 원자핵과 외곽 전자의 전자들을 가지고 있습니다.

 

그런데 이 전자들이 그냥 따로 혼자 있는 게 아니라

주변에 있는 원자의 전자들을 주거나 서로 공유하면서

공유 결합을 형성하게 되는데요.

이렇게 단단하게 공유결합을 하고 있는 원자는

전자가 쉽게 움직일 수 없는 상태가 되어서

원자 외곽에 있는 전자들이 쉽게 이동하기 힘들게 됩니다.

 

이제 슬슬 반도체에 대한 이야기를 하자면

반도체는 실리콘이라는 원자로 만들어집니다.

실리콘은 원자번호 14번으로

외곽에 4개의 전자를 지니게 되는데요.

 

만약에 순수한 실리콘으로만 이루어진 화합물이 있다면

모든 외곽의 전자들이 공유 결합을 하고 있어서

전기가 흐르기 굉장히 어렵습니다.

 

그래서 실리콘 사이사이에 불순물을 첨가해서

반도체를 만들게 되는데요.

실리콘 사이에 외곽 전자가 5개인 인을 첨가하게 되면

이렇게 인의 외곽 전자 하나가

공유결합을 하지 못한 자유전자가 되게 됩니다.

 

이렇게 되면 이 자유전자는

쉽게 이동할 수 있는 전자가 되게 되는데요.

반대로 외곽 전자 3개밖에 없는 붕소를 첨가하게 되면

전자 하나가 비게 됩니다.

 

이런 식으로 실리콘에 불순물을 첨가하는 것을

[도핑]이라고 부르고

실리콘 사이에 외곽 전자가 5개인 인을 첨가하게 되면

N형 반도체라 부르고

반대로 외곽 전자가 3개인 붕소를 첨가하게 되면

P형 반도체라 부르게 됩니다.

 

만약에 이 P형 반도체와 N형 반도체를 붙여놓는다면

전류는 자유전자가 있는 P형 반도체에서

전자가 부족한 N형 반도체로 흐르게 됩니다.

 

그 이유는 그림과 같이 N형 반도체에 있는 자유 전자들은

매우 이동하기 쉬운 전자들이

양공이 있는 P형 반도체로 이동을 하게 되는 건데요.

 

그리고 P형 반도체 끝에 있는 전자들은

양극 단자의 인력으로 인해 이동을 하게 되고

그러면 남은 빈공간을 채우기 위해 전자들이 이동을 하면서

한 방향으로만 전류가 흐르는 다이오드가 완성이 되게 됩니다.

 

사실 요새 친환경 에너지로 밀고 있는

태양광 발전의 원리도 여기에 있는데요.

지금 설명하면 매우 길겠지만 간단히 설명하면

타인이형의 광전효과에 의해

태양광에너지로 자유전자가 발생하면

이런 반도체로 전류를 한 방향으로 흐르게 만들고

그렇게 해서 전류가 생성이 되는 것입니다.

 

아무튼 이제 슬슬

우리 컴퓨터와 핸드폰에 들어가는 반도체에 대한 진짜 이야기를 시작하자면

만약에 이 반도체들이

PNP형, 혹은 NPN형으로 붙여놓게 되면 어떻게 될까요?

만약 NPN 접합 트랜지스터에

이런 식으로 회로를 연결하게 되면

A의 전압을 얼마나 세게 걸어주느냐에 따라서

B의 전압이 흐르냐 안 흐르냐가 달라지게 되는데요.

한마디로 간단하게 스위치 같은 게 만들어지는 것입니다.

 

이러한 특성이 중요한 이유는

이런 트랜지스터가 모이면

논리회로를 구성할 수 있기 때문인데요.

 

흔히 말하는 컴퓨터는 0과 1로만 이루어져 있다고 말하는데

여기에서 트랜지스터의 전류가 흐르는 상황이 1인 것이고

흐르지 않는 상황이 0이라고 할 수 있습니다.

 

고등학교나 대학교에서

회로 기판의 논리회로를 구성하는 실험을 해볼 수가 있는데요.

그리고 컴퓨터나 핸드폰에 들어가는 CPU나 프로세스 등에는

이런 트랜지스터가 수십 개가 들어가 있습니다.

 

이런 트랜지스터를 얼마나 작게 만들어서

이런 작은 크기 안에 넣느냐가

성능을 결정하게 되고

이런 초미세 공정은

우리나라의 삼성전자나 SK하이닉스가

높은 기술을 가지고 있는 것입니다.

 

아무튼 결국 0과 1의 조합으로 컴퓨터의 언어를 만들고

이런 0과 1의 조합으로 된 언어를

인간이 쉽게 이해할 수 있게 번역을 해주는 언어가

바로 C언어나 자바, 파이썬과 같은 프로그래밍 언어인 것입니다.

 

그리고 그런 프로그래밍 언어로 설계하고 개발된 프로그램이

여러분이 자주 하는

배틀그라운드 같은 컴퓨터 게임과

카카오톡 같은 어플들인 것이죠.

 

 

이렇게 P형과 N형 반도체의 원리로 인해

이 작은 핸드폰에서 정말로 많은 일들이 가능하고

이제는 인간의 지능을 뛰어넘는 인공지능까지 개발되고 있는 게

정말로 신기하지 않나요?

 

이 영상을 만든 이유는

물리를 공부하거나

전기전자공학 학부생들을 위한 영상이라기보다

우리가 최소한 이런 반도체의 혜택을 받고 살면서

적어도 그 원리를 알고 살아야 되지 않나 싶어서

제작하게 되었는데요.

 

앞으로 삼성에서 비메모리 반도체도 개발한다고 하는데

비메모리 반도체에서도

메모리 반도체 못지않은

시장 점유율을 보여주기를 기대해 보겠습니다.

그럼 이만.