지난 7월 17일 삼성전자는 유니스트(UNIST, 울산과학기술원) 전기전자컴퓨터공학부 김경록 교수 연구팀이 세계 최초로 3진법 금속-산화막-반도체(metal-oxide-semiconductor)를 대면적 실리콘에 구현하는 데 성공했다고 발표했습니다. 3진법 반도체를 사용한 휴대폰은 1000일에 한 번 충전이 가능하다고 합니다. 삼진법 반도체는 무엇이고 기존 이진법 반도체와 어떤 차이가 있을까요? 트랜지스터
<트랜지스터/출처 픽사 베이>에 들어가기 전에 반도체에 대해서 봅시다. 반도체는 반도체와 부도체의 사이에 있는 개념입니다. 전기가 잘 흐르는 도체의 성질과 흐르지 않는 부도체의 성질의 양쪽 모두를 가지고 있으며, 필요에 따라서 좋아하는 성질을 선택하여 전류를 조절할 수 있습니다. 이 같은 반도체의 성질을 이용한 부품 속에 전자 제품의 소형화를 가능한 트랜지스터다는 것이있습니다만, 트랜지스터는 두가지 주요 기능을 가지고 있습니다. 우선, 스위칭 기능입니다. 반도체의 성질을 이용하고 전기를 흘리거나(on)부도체의 성질을 이용하고 전기를 흘리지 않게(off) 할 수 있습니다. 이는 마치 스위치 같은 역할을 합니다. 2번째로 증폭 기능입니다. 입력된 신호를 트랜지스터 내부의 여러 과정에서 큰 신호로 출력되도록 하고 있습니다. 과거 전자 제품에는 반도체를 접합하고 만든 접합형 트랜지스터(BJT:Bipolar Junction Transistor)이 많이 쓰이고 있었습니다. 그 뒤 MOSFET가 개발되어 매우 작은 사이즈로 대규모 집적 회로를 만들 수 있게 되었습니다. 삼진 법 반도체는 MOSFET를 이용한 반도체입니다. 그러므로 삼진 법 반도체의 원리를 알려면 우선 MOSFET에 대한 이해가 필요합니다. MOSFET
<NMOS> MOSFET는 metal-oxide-semiconductor field effect transistor의 약자로 금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터라고 불립니다. 그림에서 보면 MOSFET라는 이름을 붙인 이유를 알 수 있습니다. 이러한 트랜지스터는 인가되는 전압을 조절하여 전류의 흐름을 제어하는 기능을 합니다.
<NMOS와 PMOS>MOSFET은 게이트(G:gate)와 드레인(D:drain), 소스(S:source)으로 구성되어 있습니다. 소스와 드레인은 이름부터 알게 전하를 제공하고 받아들이는 역할을 하고 게이트는 스위치의 역할을 합니다. 게이트에 특정 전압을 인가하면 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르게 되고 이에 의한 전하가 이동합니다. MOSFET는 매우 작고 복잡한 구조로 되어 있습니다. MOSFET는 N형 MOS와 P형 MOS로 나누어집니다. N형 MOS를 기준으로 소스와 드레인은 전기적 음성(n:negative)을 내도록 도핑 하고 기판은 전기적 양성(p:positive)을 내도록 도핑 하는 것이 기본 구조입니다. 도핑은 반도체 재료(실리콘과 게르마늄…등)에 다른 원소를 미량 섞어 전자를 이동시킬 수 있도록 하는 것입니다. 전자를 남기고 전류를 흘리게 하면 N형이라는 구멍형으로 하면 P형이라고 합니다. 여기서 구멍은 가상 입자이며, 실제로 존재하는 것이 아니라 전자가 비어 있는 상태라고 생각하세요. 결국 이 공간(정공)에 전자가 충족되어 전류가 흐르게 됩니다. 트랜지스터를 동작시키기 때문에 게이트에 인가해야 하는 전압 값이 정규다면 N형, 마이너스라면 P형이라고 부릅니다.
<CMOS> 그림은 집적회로에서 자주 사용되고 있는 CMOSFET(complementary MOSFET)입니다. 이것은 NMOS와 PMOS를 연결한 구조입니다. CMOS는 NMOS와 PMOS의 게이트와 드레인을 연결하여 단독으로 사용할 때 보다 우수한 성능을 가지게 됩니다. 게이트에 양의 전압을 인가했을 때는 NMOS가, 음의 전압을 인가했을 때는 PMOS가 동작하게 되어 드레인에서 출력값이 나오도록 설계되어 있습니다. 이진 반도체
<2진법/출처 픽사 베이>2진법은 0과 1을 통해서 정보를 처리하는 방식으로 현재 컴퓨터를 비롯한 모든 디지털 전자 기기에 사용되고 있습니다. MOSFET의 경우 인가된 전압의 크기에 의해서 전류가 흐르면 1(on)에 전류가 흐르지 않으면 0(off)에서 표시할 수 있습니다. 즉, 트랜지스터에 인가되는 전압에 따라서, 트랜지스터를 스위치처럼 동작시킬 수 있습니다. 그러나 이러한 전기적 스위치는 물리적 스위치와는 달리 다양한 현상이 나타나는 일이 있는데 그 중의 하나가 터널 효과에 의한 누설 전류가 있습니다. 트랜지스터가 전류가 흐르지 않는 off상태임에도 불구하고 미세한 전류가 흐르게 됩니다. 여기에서 터널 효과는 미시 세계를 다루는 양자 역학에서 한 입자가 벽 뚫고 지나가는 현상입니다. 예를 들면 고전 역학에서는 차는 건물 외벽을 통과할 수는 없지만 양자 역학에서는 전자는 해리 포터의 킹 스쿠 로스 역 9와 4분의 3의 홈처럼 한 벽을 통과할 수 있습니다. 이렇게 벽을 뚫고 이동한 전자로 발생한 전류를 누설 전류라고 합니다. 이진법에서는 이러한 누출 전류는 데이터로서 인식하지 않지만, 삼진 법 반도체는 데이터로서 인식하고 처리하게 됩니다. 삼진 법 반도체https://www.ntdtv.kr/assets/uploads/2019/07/4bfe25ce490f0a2c7024ee03e2109b68.png
동작2진법3진법NMOS00누설전류-1PMOS12
삼진법은 0, 1, 2를 이용하여 정보를 처리하는 방식입니다. 종래의 이진법 CMOS의 경우 NMOS가 동작할 때는 0, PMOS가 동작할 때는 1로 표현하여 정보를 처리하고 누설전류 상태는 따로 표시할 수 없습니다. 그러나 삼진법을 사용하게 되면서 누설전류를 표현할 수 있게 된 것입니다. 삼진법 CMOS는 NMOS가 작동할 경우 0, NMOS와 PMOS에 일정 누설전류가 흐를 경우 1, PMOS가 작동할 경우 2로 표시하여 정보를 처리합니다.
<삼진법 반도체/출처 유니스트> 삼진법 CMOS는 안정적으로 누설전류를 표현하기 위해 CMOS 자체에 일정하게 누설전류가 흐르도록 설계했습니다. 기존 CMOS와 달리 소스와 드레인 사이의 특정 부분을 높은 농도로 도핑하여 일정 누설전류가 흐르도록 하였습니다. 왜 3진법을 사용하는가?
<반도체/출처 픽사 베이>10진 법의 128을 2진법으로 나타내는 경우는 8자릿수가 필요한데, 3진법으로 나타내는 경우는 5자리 수로 표현할 수 있습니다. 즉, 데이터 용량에서 37.5%의 효율을 얻을 수 있습니다. 그러므로 3진법을 사용하면 처리해야 할 데이터의 양이 감소하고 계산 속도가 향상되고 소비 전력도 감소합니다. 삼진 법 반도체를 개발한 김·교은록 교수 팀에 의하면 이론적으로 삼진 법 반도체는 이진법 반도체보다 1/1000분 소비 전력을 줄일 수 있다는 것입니다. 휴대 전화를 1000일 1회 충전할 수 있게 되는 이유도 여기 있습니다. 현재의 이진법 체계의 휴대 전화를 삼진 법 체계로 전환한다면 기존의 휴대 전화로 하루에 소모하는 전력을 삼진 법 휴대 전화에서는 1000일 간 쓰게 되고 그만큼 충전을 하지 않아도 된다는 것입니다. 3진법에 대한 연구가 지금까지 많이 열리고 왔는데 이번 연구가 특히 주목되는 이유가 있습니다. 3진법 반도체 제조 공정이 기존 CMOS제조 공정과 크게 다르지 않아 많은 투자 비용을 들이지 않아도 제조가 가능하다는 점입니다.현재 모든 디지털 데이터 처리는 이진법을 사용하여 수행되기 때문에 당장 삼진 법 반도체를 통한 제품을 만나기 어렵겠지만, 상용화 가능성을 높이며 기회의 문을 열었다는 점에 큰 의의가 있습니다. 그러므로 이런 3진법 반도체 개발은 대용량의 데이터를 신속히 처리해야 할 제4차 산업 혁명의 중심인 AI자동 운전, 사물 인터넷 등의 기술 발전에 큰 파급 효과를 줄것으로 기대됩니다. 지음/국립 전파 연구원 블로거 기자 강·소희