반도체의 5나노 공정 뜻은 채널 길이가 5nm라는 것입니다.
채널 길이가 무엇인지를 소개하기 위해, 현재 가장 많이 사용하는 CMOS가 무엇인지 설명하겠습니다. CMOS는 Complementary Metal-Oxide Semiconductor입니다. MOS라는 소자에 극성이 두가지가 있는데, 이를 상보적으로(Complemetary) 쓴 소자입니다. 여기서 말하는 MOS는 Metal(금속) - Oxide(산소) - Semiconductor(반도체) 형태가 됩니다.
위 사진이 기본 MOS형태이고, 이것을 소자로써 사용하기위해서 Semiconductor 양 끝 부분에 음극성(Negative) 혹은 양극성(Postive)으로 만들어서 씁니다. 양 끝이 음극이면 nMOS, 양극이면 pMOS입니다.
예를 들어, 양 끝을 음극으로 만들면, 이 극성 사이에 양극이 모이게 됩니다. 그렇게되면, 왼쪽 음극과 오른쪽 음극 전하들은 서로 전하를 교환할 수가 없는 상태가 됩니다.
위와 같이 외부에서 Metal 부분에 양극의 전하를 보내준다면, Metal에 인접한 Semiconductor부분에 음극의 전하가 모입니다. 이렇게 되면 왼쪽 음극과 오른쪽 음극은 서로 전하를 교환할 수 있는 상태가 됩니다.
이 그림에서 메탈의 극성 변화에 따라 Semiconductor부분의 극성이 바뀌는 부분을 채널이라고 합니다.
채널 길이가 짧을 수록, 빠르게 전하 전달이 일어날 수 있겠죠? 그래서 SAMSUNG, tsmc 같은 회사는 5나노, 3나노, 1나노 공정 연구개발에 투자하고 있습니다.
한 종류의 MOS를 쓰면, 0을 잘보내는 소자는 1을 잘 못보내고, 1을 잘 보내는 소자는 0을 잘 못보내는 특성이 있습니다.
MOS내부에서 손실되는 힘 때문에 입력보다 약한 출력이 나오는데, 동작 방법이 반대인 pMOS와 nMOS를 같이 쓴 CMOS를 사용하면 이 손실을 줄일 수 있습니다.
채널 길이가 짧아지면 반도체의 성능이 커지기 때문에 공정회사는 반도체 집적도를 2년에 2배씩 집적해오며 성장해왔습니다. (무어의 법칙, 데나드 스케일링) 그런데… 우리가 반도체 재료로 쓰는 실리콘 원자의 폭은 0.5nm를 약간 넘습니다. 2020년에 출시한 M1 맥북의 공정은 5nm공정이구요. 크기가 너무 작아지다보니, 더 이상 크기를 줄이는게 어렵고, 이쯤 오니까 크기를 줄여도 성능 향상이 이전보다 줄어들게 되었습니다. 그래서 삼성전자는 새로운 공정 방법(어떻게든 크기를 줄이자!)도 개발하고, 시스템 반도체 투자(공정으로는 이제 한계에 도달했으니… 설계를 잘해 보자.)로 돌아서는거죠.
어쨌든 이 트랜지스터들을 ‘스위칭, 증폭’을 위해서 사용합니다.
모스펫이 사용되기 이전에는 진공관과 BJT가 많이 쓰였습니다. 지금도 오디오 앰프 처럼 특수 분야에는 많이 쓰이고 있구요.
진공관을 지금 안 쓰는 이유는, 크기가 크고, 예열이 필요합니다. BJT의 사용이 줄어든 이유는, 빠르긴한데.. 발열이 심합니다. 그러다보니, 미세공정으로 가기가 힘들어요.
그래서 모스펫이 쓰이고 있습니다. 참고로, 모스펫은 전압이 전류를 제어(소스, 게이트, 드레인)하고, BJT는 전류가 전류를 제어(이미터, 베이스, 컬렉터)합니다.