1. 반도체란 무엇일까?
우리는 전기 전도도 기준으로 물질을 3가지로 나눌 수 있다.
1. 절연체 : 전기가 거의 흐르지 않음
2. 도체 : 전기가 잘 흐름
3. 반도체 : 절연체와 도체의 중간
하지만, 반도체의 진짜 특징은 '전도도를 조절할 수 있다'는 것이다. 우리는 불순물을 첨가하거나, 전기장을 인가하거나 빛을 통해 반도체를 상황에 따라 도체 혹은 절연체 처럼 행동하게 할 수 있다.
그림으로 차이를 살펴보자.
순서대로 도체는 전류가 잘 흐르기 때문에 전구가 켜지고, 절연체는 전류가 잘 흐르지 않기 때문에 전구가 꺼지는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 반도체의 경우 조건에 따라 켜지기도/ 꺼지기도 하는 모습을 보인다. 이것이 바로 Transistor로, switch 역할을 하여 ON/OFF 제어를 한다.
2. Transistor 트랜지스터
Transistor : 전류를 증폭하거나 스위칭 하는 소자
구조는 다음과 같다.
| Source | 전류가 들어오는 곳 |
| Drain | 전류가 나가는 곳 |
| Gate | 스위치 역할 |
이때 gate의 전압에 따라 ON/OFF가 조절된다. nMOS는 전자가 이동하고 pMOS는 정공이 이동한다는 차이가 있다.
3. MOSFET
MOSFET은 메모리에서 크게 2가지 역할을 한다.
1) Switch (스위치)
2) Selector (셀 선택기)
Switch로서의 MOSFET은 직접 데이터를 저장 + 유지하는 역할을 하고, Selector로서의 MOSFET은 길을 열어주는 스위치 역할로, 데이터를 저장하지 않고 셀 선택을 한다.
Selector로서의 메모리는 다음과 같다.
- DRAM, MRAM, ReRAM, NAND
4. Matrix-based Memory 구조
위에서 MOSFET이 selector로 쓰인다고 언급했다. 이때, selector가 어디서 어떻게 쓰이는 지 알기 위해서는 Matrix 구조를 알아야한다. 메모리는 matrix 구조이기 때문에 WL/BL로 선택한다.
모든 cell은 위의 그림처럼 Word Line(WL)과 Bit Line(BL)의 3차원적 교차점에 존재한다.
Word Line (WL) → 행 선택
Bit Line (BL) → 데이터 통로
교차점 = cell = 메모리 하나
이때, WL과 BL의 조합으로 특정 셀을 선택할 수 있는 것이다. 이와 관련된 내용이 'Random Access Memory'이다.
Random Access Memory
: WL+BL로 주소를 바로 지정하여, 아무 위치나 바로 접근 가능한 것이다.
그런데 단순히 WL/BL 만으로 정확히 한 셀만 선택이 가능할까?
5. Passive vs Active Matrix
5-1. Passive Matrix
위의 구조는 Passive Matrix로 Transistor가 없이 선만 교차하는 형태이다.
Passive Matrix의 작동 원리를 알아보자.
Ferrite Core(자성 링)의 전류 방향에 따라 자화 방향이 달라지고, 이에 따라 0/ 1과 같은 binary state로 저장된다. 즉, 자화 방향 = 데이터 인 것이다.
X축은 전류(= 자기장), y축은 자화 상태를 보여주는 곡선이다. 이러한 Passive Matrix의 특징은 한번 자화가 되면 전류가 없어도 유지된다는 특징이 있다. 이러한 성질을 'Non-Volatile'라고 한다.
Non-Volatile: 한번 자화가 되면 전류가 없어도 유지되는 것
5-1-1. Passive Matrix의 쓰기
Passive Matrix에서 쓰는 방식은 원하는 방향으로 자화시키면 된다.
그림으로 알아보자.
½ Is (half current)를 가해 두줄이 만나는 지점에서 충분한 전류가 발생하여, 교차점에서 데이터가 저장되는 구조이다.
5-1-2. Passive Matrix의 읽기
Passive Matrix에서 읽는 방법은 일부러 상태를 바꾸어 보는 것이다.
저장된 값 = 0인 상황에서는 이미 방향이 같기 때문에 자화의 변화가 없어, 신호가 없다.
저장된 값 = 1일 때 반대 방향으로 바꾸면 자화의 변화가 발생하여 전압 펄스가 발생한다. 즉, 자화가 바뀔 때만 신호가 발생하는 것이다.
이때, Destructive Read라는 개념이 등장한다. 읽을 때 일부러 자화의 방향을 바꾸면서 원래 데이터 = 1 에서 읽는 순간 데이터 = 0으로 바뀌면서 데이터가 파괴되는 것이다. 따라서, 읽는 순간 다시 써야한다.
즉, Passive Matrix에서 읽기 = 데이터 확인 + 파괴 인 것이다.
Passive Matrix는 전류가 선택된 셀 말고 다른 경로로도 새어나간다는 문제가 있다.(= 누설 전류) 이로 인해 원하지 않는 셀도 영향을 받고, 정확한 읽기/쓰기가 불가능하다. 즉, transistor(=Selector)가 없기 때문에 일어나는 문제이다.
이를 해결하기 위한 방법이 바로 Active Matrix이다.
| Passive Matrix | |
| 핵심 구조 | 행과 열 전극의 교차점에 cell 위치 (트랜지스터 X) |
| 쓰기/ 읽기 | - 자화를 통해 쓰기 - 반대방향으로 상태를 바꾸어 읽기 - 속도가 상대적으로 느리다 |
| 장점 | 구조가 단순하여 고밀도 구현에 유리 |
| 단점 | - 누설 전류 발생 가능 = 전력 소모가 크다 - 원치 않는 셀도 영향을 받음 |
5-2. Active Matrix
Active Matrix는 각 cell에 MOSFET이 존재한다. 이 MOSFET은 '셀 선택 스위치' 역할을 하는 것이다.
WL은 해당 Row의 MOSFET을 ON시키고, BL은 특정 열에 신호 V2를 인가한다. 그 결과, 이 둘의 교차점에 해당하는 선택된 Cell(= Selected Cell)만 연결되고, unselected cell은 완전히 차단된다. passive Matrix와 달리 정확하게 선택할 수 있고, 간섭을 제거할 수 있으며, 속도를 향상 시킬 수 있다.
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