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병력수송장갑차(兵力輸送裝甲車 )는 전장으로 보병을 수송하기 위해 개발된 기갑 전투 차량이다. APC는 무반동총, 대전차유도미사일, 박격포와 같은 다양한 화기를 탑재할 수 있지만, 대개 기관총만 무장하는 경우가 많다. APC는 실제 전투에 직접 가담하기 위한 목적으로 개발된 것은 아니며, 포탄 파편이나 매복에 대비하여 병력을 안전하게 전장으로 수송하기 위해 개발되었다. 차체는 소총탄이나 기관총탄, 포탄 파편을 막을 수 있는 정도의 장갑을 둘렀으며, 바퀴 또는 궤도를 가진다. 미합중국의 M113 장갑차, 영국의 FV432 장갑차는 궤도식이며, 프랑스의 VAB 장갑차, 독일과 네덜란드가 공동으로 개발한 박서 다용도장갑차, 구 소련의 BTR 시리즈는 바퀴식이다.
제2차 세계 대전 중, 전차가 발전할 때 영국의 마크V 전차가 병력 수송을 위해 소규모 승객 탑승구역을 갖도록 설계되었다. 이것을 최초의 병력수송장갑차로 간주하는 경우도 있다. 최초로 특화된 APC는 1918년의 마크IX 전차였다.
제2차 세계 대전 중, 미국의 M3 반궤도 장갑차나 독일의 SdKfz 251같은 반궤도 장갑차가 병력수송장갑차와 유사한 역할을 수행했다. 이 시기에 다른 APC의 선구자는 유니버설 캐리어(Universal Carrier)였다. 때로는 APC는 간단하게 병력을 수송할 수 있는 능력을 갖춘 장갑차였지만, 제2차 세계 대전 이후 기동전술의 수요를 충족시켜주기 위해 특별한 목적을 갖고 개발되었다.
1944년, 캐나다 2 군단 군단장 가이 시몬즈 장군은 72대의 미국제 M7 프리스트 자주포를 병력수송장갑차로 개조하라고 명령했다. M7 자주포는 영국제 오드넌스 QF 25파운드 포로 교체되는 중이었고, 어떻게 할 것인지 향후 계획은 없었다. M7 자주포에서 포는 제거되었고, 그 결과 생긴 빈 구멍은 강철로 막았다. 개조작업을 수행한 정비창은 캥거루라는 암호명을 붙였고, 이 차량은 캥거루라는 이름을 갖게 되었다. 전쟁 후반기에는 캐나다가 개발한 램 전차가 이런 개조 작업의 대부분을 차지했다.
전쟁 이후, 다른 특화된 APC가 개발되었다. 미국은 일련의 궤도 차량을 개발했다. 8만 대가량 만들어진 M113 장갑차가 그것이다. 소비에트 연방은 8륜 장갑차인 BTR-40을 개발했다. 1980년대 후반, 이스라엘은 제2차 세계 대전 당시 캐나다가 그랬던 것처럼 아랍국가들로부터 노획한 T-55를 시가지용 APC로 개조했다. 숱한 시가전의 전훈을 살려 보병을 최대한 안전하게 시가지 전투에서 보호할 수 있도록 개발된 이 APC는 아크자리트라 불리며 세계에서 가장 방어력이 튼튼한 APC가 되었다.
보병 전투차(Infantry Fighting Vehicle, IFV)는 병력수송장갑차의 개념을 발전시킨 것이다.
대부분의 APC는 디젤 엔진을 사용한다. 이 디젤 엔진은 보통 대형 트럭이나 도시형 버스에 사용되는 것에 비교된다. APC가 "전장 택시" 또는 "전장 버스"로 병사들에게는 알려져 있곤 하다. 예를 들어 M113의 경우는 제네럴 모터스의 표준 도시형 버스와 똑같은 엔진을 사용했다. 최고 속도로 달리는 M113 한 대가 제네럴 모터스의 도시형 버스가 최고 속도로 달릴때와 비슷한 소음을 발생시킨다. 그렇지만 버스가 30명에서 50명까지 좌석에 앉은 승객을 나를 수 있는 반면, 전형적인 APC는 6명에서 10명까지의 보병을 수송할 수 있다.
대부분의 APC는 수륙양용이다. 궤도식 APC는 물에서 궤도를 이용하며, 바퀴식 장갑차는 별도의 프로펠러나 워터 제트를 사용한다. 수상 속도는 대개 3 ~ 6 km/h이다.
APC의 장갑은 강철이나 알루미늄으로 만들어져 소화기탄이나 대부분의 포탄 파편에 충분한 방호력을 제공한다. 그러나 모든 대전차 무기는 APC의 장갑을 관통할 수 있다.
APC용 무장은 12.7mm 또는 14.5mm 기관총을 사용한다. 차체 상부에 장착되며, 기관총 주변은 소형 포탑이나 방패를 두르는 것이 보통이다. 때로는 자동화된 유탄발사기를 대신 사용하기도 한다.
리처드 티퍼니 기어(, 1949년 8월 31일 ~ )는 미국의 배우이다.
1978년작 《천국의 나날들》에서 첫 주연을 맡았다. 이후 1980년 《아메리칸 지골로》에서 상업적 성공을 거뒀고, 1982년 《사관과 신사》, 1990년 《귀여운 여인》, 1999년 《런어웨이 브라이드》 등 꾸준히 대표작을 만들며 배우로서의 입지를 굳혔다. 부드럽고 자상한 역할로 널리 알려져 있으나 《프라이멀 피어》와 같은 스릴러 영화나 《자칼》과 같은 액션영화에서도 나쁘지 않은 흥행 성적을 거두었다.
금속 산화막 반도체 장효과 트랜지스터()는 디지털 회로와 아날로그 회로에서 가장 일반적인 장효과 트랜지스터 (FET)이다. 줄여서 MOSFET()이라고도 한다. 모스펫은 N형 반도체나 P형 반도체 재료 (반도체소자 참조)의 채널로 구성되어 있고, 이 재료에 따라서 크게 엔모스펫 (NMOSFET)나 피모스펫 (PMOSFET), 두 가지를 모두 가진 소자를 씨모스펫(cMOSFET, complementary MOSFET)으로 분류한다. (또한 일반적으로 nMOSFET, pMOSFET, NMOS FET, PMOS FET, nMOS FET, p-MOS FET. etc..라고도 함)
금속 산화막이란 이름이 붙은 것은 초기에 게이트로 금속을 이용하였기 때문이나, 현재는 폴리실리콘 게이트를 사용하여 금속이란 이름은 그저 관습적인 표현이 되었다. 저항층 게이트 장효과 트랜지스터()는 모스펫과 거의 동의어이며 산화되지 않은 게이트 저항층을 갖는 장효과 트랜지스터를 가리킨다. 폴리실리콘 게이트를 갖는 소자를 가리킬 때 "IGFET"의 사용을 선호하지만, 아직도 대부분은 모스펫이라고 부른다.
일반적으로 사용된 반도체는 실리콘이지만 잘 알려진 IBM같은 어떤 칩 제조사는 모스펫 채널에 실리콘과 게르마늄 ()의 혼합을 사용하기 시작했다. 불행하게도 갈륨비소같이 실리콘보다 전기적 특성이 좋은 대다수의 반도체는 좋은 게이트 산화물을 형성하지 않고 이것은 모스펫에 적합하지 않다.
게이트 터미널은 채널에 위치한 폴리실리콘 (다결정 실리콘; 게이트에 폴리실리콘이 쓰이는 이유는 아래의 게이트 항목을 참조할 것)의 레이어이지만 전통적인 이산화 실리콘의 저항층 박막에 의하여 채널로부터 분리되었고 더 진보된 기술은 산소질화 실리콘을 사용하였다. 전압이 게이트와 소스 터미널 사이에 인가됐을 때 생성된 전계는 산화층을 관통하고 채널 아래에 소위 "역채널"을 생성한다. 역채널은 소스와 드레인처럼 P형이나 N형 동일한 형태여서 전류가 통과할 수 있는 전선관을 제공한다. 게이트와 바디사이의 전압을 다양하게 변화하는 것은 이 레이어의 전도를 조절하고 드레인과 소스 사이의 전류 흐름을 제어할 수 있게 한다.
회로 기호.
다양한 기호가 모스펫에 사용된다. 기초적인 모양은 일반적으로 직각으로 남겨져서 채널과 같은 방향으로 구부러진 소스와 드레인을 갖는 채널을 나타내는 선이다. 가끔 끊어진 선은 증가형과 공핍형을 위한 고체에 사용되지만 그림의 끊어진 선의 어색함은 이 구분이 종종 무시된다는 것을 의미한다. 다른 선은 게이트로 채널에 평행하게 그려진다.
보이는 대로 벌크 연결은 피모스나 엔모스를 나타내는 화살표를 갖는 채널의 뒤에 연결되어 보인다. 화살표는 항상 P에서 N으로 가리켜서 엔모스 (P우물이나 P기판에 N채널)는 안쪽을 가리키는 화살이 있다. 만약 벌크가 (일반적으로 부품소자의 경우처럼) 소스에 연결되어 있으면 트랜지스터를 떠나는 소스를 마주치기 위해 기울어진다. 만약 벌크가 (일반적으로 벌크가 공통인 IC 설계의 경우처럼) 보이지 않으면 역기호는 피모스를 가리키는 데 사용되기도 한다.
기호에서 벌크, 몸체, 터미널이 보인다. 여기서 내부적으로 소스에 연결되어 보인다. 이것은 일반적인 구성이며 아무의미없지만 중요한 구성이다. 일반적으로 모스펫은 4개의 단자 소자이고 집적회로에서 대부분의 모스펫은 몸체 연결을 공유하며 모든 트랜지스터의 소스단자에 연결할 필요가 없다.
모스펫 동작.
금속 산화막 반도체 (MOS)의 구조는 반도체 기판위에 이산화 규소 ()로 된 공핍층과 금속층 (실제로 금속대신에 폴리실리콘이 사용됨)을 쌓아서 얻어진다. 이산화 규소가 유전체(誘電體, dielectric) 물질이므로 평행판 축전기의 두 금속 전극 중에서 하나를 반도체로 대체한 것과 같은 구조이다.
전압이 모스 구조에 인가됐을 때, 반도체에 있는 전하의 분포를 변경한다. (formula_1 양공 밀도를 갖는) P형 반도체를 고려하면 양의 formula_2 (그림 참조)는 양공의 농도를 감소시키고 전자의 농도를 증가시키는 경향이 있다. 만약 formula_2가 충분히 크다면 게이트에 가까운 곳에서는 음전하 운반자의 농도는 양전하 운반자의 농도보다 높아지는데 반전층(inversion layer)이라고 한다.
모스펫 구조.
금속 산화막 반도체 장효과 트랜지스터 (MOSFET)는 모스 축전기에 의한 전하농도의 변화에 기초를 두고 있다. 두개의 단자(소스와 드레인)는 각각 분리되어 고농도로 도핑된 영역에 연결되어 있다. 이런 영역은 P형이나 N형이 될 수 있지만 두개는 반드시 동일한 형태이어야 한다. 고농도 도핑 영역은 일반적으로 도핑 형태에 따라서 '+'로 (오른쪽에 있는 그림을 참조) 표시된다. 이 두 영역은 이와 반대 형(type)으로 도핑된, 몸체라고 알려진, 영역에 의하여 분리되어있다. 이 영역은 고농도 도핑이 아니며 '+' 기호가 없다. 활성 영역은 모스 축전기를 구성하며 세 번째 전극, 즉 게이트가 되어 몸체 위에 있으며 산화층에 의해 다른 모든영역과 절연되어 있다.
만약 모스펫이 N채널 즉 엔모스펫이면 소스와 드레인은 'N+' 영역이고 몸체는 'P' 영역이다. 양의 게이트-소스 전압이 걸리면(게이트에 양 전압, 소스에 음 전압) P반도체의 몸체와 N+도핑된 접합부의 공핍층이 좁아지고 산화층 아래에 있는 P 영역의 표면에 전자가 축적되어 반전층(inversion layer) 즉,"N채널"을 형성한다. 이 채널은 소스와 드레인사이에 걸쳐있지만 게이트 전압이 소스에서 채널로 전자를 끌어당기기에 충분히 클때만 그곳을 통하여 전류가 흐른다. 게이트와 소스사이에 영 또는 음의 전압이 걸리면 채널은 사라지고 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르지 않는다.
만약 모스펫이 P채널 즉 피모스펫이면 소스와 드레인은 'P+' 영역이고 몸체는 'N' 영역이다. 음의 게이트-소스 (게이트에 음 전압, 소스에 양 전압) 전압이 걸리면 N반도체 내에 P+도핑된 접합부의 공핍층이 좁아져 산화층 아래에 있는 N 영역의 표면에 정공이 축적되 반전층이 생겨 "P채널"을 형성한다. 이 채널은 소스와 드레인사이에 걸쳐있지만 게이트 전압이 소스에서 채널로 양공을 끌어당기기에 충분히 작을때만 전류가 흐른다. 영 근처 또는 양의 전압이 게이트와 몸체사이에 걸리면 채널은 사라지고 소스와 드레인 사이 전류가 흐르지 않는다.
동작 종류.
모스펫의 동작은 단자들에 걸리는 전압에 따라서 3개의 다른 영역으로 구분할 수 있다. 확장형 N채널 모스펫에서 동작 종류:
채널 길이가 아주 짧아지면, 전하 운반자의 이동은 유사-탄도성 전달(quasi ballistic transport)을 한다. 짧은 채널 효과가 크면, I-V 특성을 위의 방정식으로 근사시킬 수 없다. 차라리 포화 드레인 전류는 formula_17의 이차 함수가 아니라 거의 일차 함수에 가깝다.
몸체 효과.
formula_18,
위에서 formula_19는 영 기판 바이어스, formula_20는 몸체 효과 변수, formula_21는 표면 전압 변수이다.
몸체는 또다른 하나의 게이트처럼 동작할 수 있고 가끔 “뒷문(back gate)" 라고 불린다; 몸체 효과는 가끔 뒷문 효과라고도 불린다. (https://web.archive.org/web/20141110225738/http://equars.com/~marco/poli/phd/node20.html)
모스펫의 우수성.
1960년에 벨 연구소의 강대원(姜大元, Dawon David Khang)과 마틴 아탈라()는 금속 산화막 반도체 장효과 트랜지스터 (MOSFET)를 발명했다. 이론상으로 쇼클리의 트랜지스터와 달리 모스펫은 반도체 표면 위에 절연층을 얻은 다음 그 위에 금속 게이트 전극을 설치한다. 모스펫은 반도체로는 결정 실리콘을 사용하였고 절연층으로는 열로 산화된 이산화규소를 사용하였다. 뿐만 아니라 그것은 저렴한 생산비와 집적하기 쉬운 기술적 이점을 지녔으며, 실리콘 모스펫은 실리콘과 그것의 산화층 사이의 경계영역에 국부적인 전자 트랩 (경계 상태)을 생성하지 않고, 이전 트랜지스터의 성능을 떨어뜨리던 특성을 제거하였다. 이런 행운으로 떠오른 모스펫은 전자공학에서 주도적인 역할을 차지하게 되었다. 이것은 오늘날 정보 사회의 뿌리인 대규모 집적회로를 떠받치는 뜻밖의 발견이었다.
모스펫은 모든 실리콘 집적 회로의 기본요소가 되었다. 기본소자는 1920년대에 릴리언필드 ()에 의하여 창안됐지만 그는 소자를 만들기 위한 어떠한 기반도 없었다. 실리콘 평판 공정은 1950년대 후반에 맥칼딘 ()과 호어니 ()에 의하여 창안하고 킬비 ()와 노이스 ()에 의하여 창안된 집적회로는 릴리언필드의 소자가 현대시대에서 구현하는 것이 가능하게한 필요하는 기반이었다. 아탈라 ()와 강 은 1950년대 후반에 현대의 모스펫을 설명하였고 홉스테인 ()과 헤이만 ()은 1963년에 실리콘 평판 공정 플랫폼에서 모스펫의 구조에 대하여 설명하였다. 그러나 이 평판 모스펫은 쇼클리, 바딘, 브래튼에 의하여 개발된 접합형 트랜지스터 (BJT)에 비교해서 큰 의미를 가지지 못했다. 이 초기의 모스펫은 집적회로 설계에 사용하는게 매우 어려웠다. 왜냐하면 소스와 드레인을 고려한 게이트 배치의 불확실성과 게이트의 크기에 관련되어 느려지기 때문이다. 바우어 ()는 마스크나 템플릿으로 게이트와 연관된 소스와 드레인의 배치를 정의하는 게이트 구조를 이용하여 이런 문제들을 해결하였다. 이 간단한 단계는 게이트 배치의 불확실성을 제거하여 집적회로 설계문제를 해결하고 소자의 구성에서 사용되는 이론적으로 가장 작은 게이트를 제공하여 속도문제도 해결한다. 바우어와 딜 () 은 금속이나 다결정(polycrystal) 실리콘으로 만든 스스로 정렬된 게이트 모스펫 ()을 설명하였다. 파긴 ()과 클라인 ()은 1968년에 패어차일드에서 활동 실리콘 게이트 공정을 개발하였다. 실리콘 게이트 SAGFET는 1970년대에 모든 현대의 집적회로에 의하여 선택하여 사용된 소자가 되어 BJT를 능가하였다. 삭펫 (SAGFET)은 인류 역사에서 인간이 만든 무기물 구조에서 가장 많이 생산하게 되었다.
마이크로프로세서같은 디지털 기술의 성장으로 모스펫 기술은 다른 실리콘기반 트랜지스터보다 빠르게 발전하게 되었다. 모스펫 성공의 주요 요인은 p-채널과 n-채널 모스펫을 기본소자로 사용한 디지털 시모스 논리회로의 개발이었다. 시모스 논리회로의 가장 큰 장점은 전류가 흐르지 않으므로(이상적으로) 논리 게이트에 대한 입력이 스위칭될 때를 제외하고는 전력 손실이 없다는 것이다. 시모스는 각 p모스펫을 n모스펫으로 보완하고 두개의 게이트와 두개의 드레인을 서로 연결하여 이것을 성취하였다. 게이트 전압이 높으면 n모스펫은 도전성을 띠고 p모스펫이 도전성을 띠지 않으며, 게이트 전압이 낮으면 이와 반대현상이 일어난다. 스위칭이 일어나는 시간 동안 전압은 상태가 바뀌며 짧은 순간 양쪽 모두 도전상태가 된다. 이와 같은 배치로 전력 손실과 발열이 현저히 감소한다. 집적회로에서는 더 많은 트랜지스터를 더 작은 칩으로 집적하기 때문에 과열은 중요한 해결과제였다.
디지털 스위치에서 모스펫의 또다른 이점은 게이트를 통하여 흐르는 DC전압을 방지하는 게이트와 채널사이의 산화층으로 더욱 전력소비를 감소시키고 입력 임피던스를 크게한다는 것이다. 게이트와 채널사이의 산화 절연층은 논리회로에서 한 단계의 모스펫을 선행단계 및 후행단계로부터 효과적으로 절연함으로써 하나의 모스펫 출력으로 다수의 모스펫 입력에 가할 수 있다. (TTL 같은) 접합형 트랜지스터를 기반으로 하는 논리회로는 이와 같은 높은 팬아웃 능력을 갖지 못한다. 이와 같은 절연에 의해 설계자는 독립적인 논리 단계사이의 부하 효과를 어느 범위까지 무시할 수 있다. 그 범위는 동작 주파수에 의하여 정해진다: 주파수가 증가할 때, 모스펫의 입력 임피던스는 감소한다.
아날로그.
모스펫은 대부분의 디지털 회로에서 트랜지스터로 꾸준히 쓰이지만 아날로그 회로에서 여전히 우위를 차지하지 못한다. 접합형 트랜지스터는 높은 트랜스컨덕턴스와 독특한 특징들 때문에 전통적으로 아날로그 설계자의 선택을 받았다. 그럼에도 불구하고 모스펫은 아날로그 목적을 위해 널리 사용된다. 아날로그 회로의 특징과 성능은 모스펫의 크기(길이와 넓이)를 변화시켜 설계할 수 있다. 어떤 특정한 이중극 회로(bipolar circuit)에서만 이중극 소자의 크기가 영향을 미친다. 모스펫의 어떤 장점은 양의 온도계수때문에 발열로부터 접합형 트랜지스터가 한것처럼 고생하지 않아도 된다. 선형 영역은 정확한 저항처럼 사용하는 것이 가능하여 접합형 트랜지스터보다 훨씬 더 큰 제어 저항값을 가지고 있다. 또한 축전기를 형성할 수 있고 특별화된 회로는 인덕터처럼 보이는 op-amp를 가능하게 하여 전체의 모스펫으로 만들어서 다이오드를 제외하고 모든 일반 아날로그 소자를 가능하게 한다. (그리하여 모스펫보다 더 작게 만들 수 있다.) 이는 더좁은 공간으로 실리콘 칩 위에서 만들어지는 완벽한 아날로그 회로를 가능하게 한다. 어떤 집적회로는 하나의 칩 위에 아날로그와 디지털 모스펫 소자를 조합하여 필요한 기판 공간을 더 작게 만들었다. 이것은 칩 단계에서 아날로그 회로와 디지털 회로를 격리할 필요로 만들어서 격리링과 절연체 위의 실리콘 ()이 사용되는 계기가 된다. 아날로그 설계 과정에서 접합형 트랜지스터 대 모스펫의 주요한 이점은 좁은 공간에서 대용량 전류를 처리하는 접합형 트랜지스터의 능력이다. 제조공정은 접합형 트랜지스터와 모스펫을 하나의 소자로 통합하는게 존재하며, 이런 혼합된 트랜지스터 소자가 하나의 BJT-FET를 포함하는 경우에는 양극성 장효과 트랜지스터 ()라고 부르며 상보성 BJT-FET를 포함하는 경우에는 양극성 시모스()라고 부른다. 이 소자는 절연체 게이트와 고밀도 전류라는 이점을 모두 제공한다.
접합형 트랜지스터는 어떤 디지털 회로에서는 모스펫을 뛰어넘는 장점이 있다. 접합형 트랜지스터는 디지털 동작에서 적어도 두 가지 일을 더 잘한다. 첫 번째는 고속 스위칭이다. 왜냐하면 게이트에 "큰" 전기용량을 가지고 있지 않아서 채널의 저항과 곱하면 작은 고유 시간상수(T=RC)를 주기 때문이다. 고주파 신호를 차단하기 때문에 고유 시간상수는 모스펫이 동작하는 속도의 한계를 정한다. 채널을 넓히면 채널의 저항이 줄어들지만 정확히 동일한 양만큼 전기용량이 커진다. 채널 너비의 감소는 저항이 커지고 동일한 양만큼 전기용량이 작아진다. R*C=Tc1, 0.5R*2C=Tc1, 2R*0.5C=Tc1. 어떤 과정에서 고유 시간상수를 줄이는 방법은 없다. 채널 폭, 채널 높이, 게이트 두께, 재료를 다르게 하는 다른 과정은 고유 시간상수가 다르다. 접합형 트랜지스터는 게이트가 없기 때문에 이런 대부분의 문제가 없다. 두 번째 동작은 첫 번째로부터 유래된다. 여러 개의 다른 게이트를 작동시키는 것을 부채질(팬아웃, fanout)이라고 부르는데, 이때 모스펫의 저항은 다른 장효과 트랜지스터의 게이트 전기용량과 직렬 연결되어 2차 시간상수를 준다. 지연 회로에서 훨씬 큰 다른 시모스 소자에 신호를 보내는 작은 시모스 소자를 사용하여 셋 신호 지연을 생성하는 데 이 사실을 이용한다. 인가하는 장효과 트랜지스터의 채널 폭을 증가시켜 저항을 줄이고, 인가되는 장효과 트랜지스터의 채널 폭을 줄여서 전기용량을 감소시킴으로써 2차 시간상수를 최소화할 수 있다. 이것은 인가하는 장효과 트랜지스터의 전기용량을 증가시키고 인가되는 장효과 트랜지스터의 저항을 증가시키는 단점이 있지만 일반적으로 이런 단점은 타이밍 문제와 비교했을 때 작은 문제이다. 접합형 트랜지스터는 다른 게이트를 인가하는 것이 좋다. 왜냐하면 모스펫보다 더 큰 전류를 출력할 수 있어서 장효과 트랜지스터에 빠르게 전하를 인가하는 것이 가능하기 때문이다. 많은 칩은 모스펫 입력과 양극성 시모스 (한절위 참조)출력을 사용한다.
모스펫 축소.
지난 수십 년간 모스펫의 크기가 지속적으로 감소되었다; 일반적으로 모스펫 채널 길이는 한 몇 마이크로미터였지만 현대의 집적 회로는 0.1 마이크로미터보다 더 작은 채널길이를 갖는 모스펫이 쓰인다. 실제로 인텔은 2006년에 65 nm 최소 배선폭 (심지어 채널은 더 짧음)을 지니는 공정의 생산을 시작했다. 1990년대 후반까지 이 크기 축소는 단점없이 모스펫 동작을 크게 개선하게 되었다. 역사적으로 모스펫 크기를 줄이는 데에 어려움은 반도체소자 제조 공정과 관련되었다.
모스펫 축소의 이유.
소형 모스펫은 몇 가지 이유로 매력적이다. 첫째로 소형 모스펫은 넓이 치수가 짧아져서 더 많은 전류가 통하는 것을 가능하게 한다; 개념상으로 모스펫은 온상태에 있는 저항기와 같고 짧아진 저항기는 더 적은 저항값을 지닌다; 그렇지만 그들은 좁은 폭을 가지고 있어서 비율적으로 더 큰 저항값을 가지게 되는데 진짜 문제점은 단위면적당 저항을 줄이는 것이다. 두 번째로 소형 모스펫은 게이트 영역이 작고 따라서 게이트 전기용량이 작다. 축소된 모스펫은 얇은 게이트 유전체이여서 온상태 단위면적당 저항을 감소시키지만 단위면적당 게이트 전기용량은 커진다; 그럼에도 불구하고 이런 효과는 여전히 좋은 방향으로 간다. 첫 번째 두가지 요소는 짧은 스위칭 시간에 기여하여 빠른 처리 속도와 스위칭당 저전력 특징을 갖는다. 축소된 모스펫에서 세 번째 이유는 면적을 감소시켜서 비용을 감소시킨다. 소형 모스펫은 고밀도 패킹이 가능하여 소형칩이나 동일한 크기에서 계산능력이 뛰어난 칩이 된다. 반도체 웨이퍼에서 제조비용은 상대적으로 고정돼 있기 때문에 집적 회로당 비용은 웨이퍼당 생산할 수 있는 칩의 수와 주로 관련된다. 그러므로 소형 집적회로는 웨이퍼당 더많은 칩을 생산할 수 있어서 칩단가를 감소시킨다.
마이크로미터보다 작은 채널길이를 갖는 모스펫의 생산은 도전이었고, 반도체 소자 제조에서의 문제점은 항상 집적회로 기술을 발전시키는 데 제한 요소이다. 최근에 모스펫이 작아져서 동작문제를 발생시켰다.
문턱아래 전도.
모스펫이 작기 때문에, 신뢰도를 유지하기 위해 게이트에 인가될 수 있는 전압은 확실히 감소하여야 한다. 성능을 향상시키기 위해서 모스펫의 문턱전압도 또한 감소되어야 한다. 문턱전압이 감소되면 트랜지스터는 완벽하게 차단하지 못한다; 즉 트랜지스터는 미약한 역 형태(inversion mode)로 소스와 드레인사이에서 문턱아래 (누설)이나 문턱아래 전도처럼 동작한다. 과거에 무시되었던 문턱아래 전도가 이제는 고성능 VLSI 칩의 총 소비전력의 반이상을 차지할 수 있다.
상호연결 전기용량.
전통적으로 스위칭 시간은 게이트의 게이트 전기용량과 대충 비례한다. 그러나 트랜지스터가 점점 작아지고 더 많은 트랜지스터가 칩위에 배치되면서, 상호연결 전기용량 (칩의 다른 부분을 연결하는 전선의 커패시턴스)은 전기용랑에서 큰 비중을 차지하게 되었다. 신호는 상호연결을 통하여 전송되기 때문에 지연 증가와 성능 감소를 발생시킨다.
열 발생.
집적회로위에 모스펫의 밀도가 계속 증가되어 회로동작을 손상시킬 수 있는 거대한 발열의 문제를 발생시킨다. 회로는 고온에서 느리게 동작하여 신뢰성을 떨어뜨리고 수명을 단축한다. 방열판과 다른 냉각 방법은 이제 마이크로프로세서를 포함하여 많은 집적회로에 필요하다.
전력 모스펫은 열폭주의 위험이 있다. 온상태 저항이 온도에 따라 증가함에 따라, 부하가 근사적으로 일정 전류를 소비하면 전력손실이 증가하고 따라서 더 많은 열을 발생시킨다. 방열판이 온도를 충분히 낮게 유지할 수 없으면 접합부 온도는 제어할 수 없을만큼 빠르게 상승하여 소자를 파괴시킨다.
게이트 산화물 누설.
게이트와 채널사이에서 절연체 역할을 하는 게이트 산화막은 가능한 얇게 만들어야 하는데, 그것은 트랜지스터가 온일 때 채널 전도도와 성능을 향상시키고, 차단일때는 문턱아래 누설을 감소시키기 위해서이다. 그러나 1.2 nm 근처의 두께 (실리콘에서 ~5 원자 두께)를 가진 현재의 게이트 산화막에서는 게이트와 채널사이에 전자 투과라는 양자역학적 현상으로 인해 전력소비가 증가된다.
이산화 실리콘보다 더 큰 유전체 상수를 가진 절연체 (높은 k 유전체를 가리킴)가, 예를 들면 하프늄, 지르코늄 규산염 또는 산화물같은 그룹 IVb 금속 규산염이, 게이트 손실을 줄이기 위해 앞으로 사용될 것이다. 산화막 게이트 물질의 유전체 상수를 증가시키는 것은 높은 전기용량을 가졌지만 두꺼운 층을 가능하게 한다. 큰 두께는 게이트와 채널사이의 투과전류를 감소시킨다. 새로운 게이트 산화물의 장벽 높이를 중요하게 고려해야 한다; 반도체와 산화막사이의 전도띠 에너지 차이 (그리고 원자가띠에서 대응하는 에너지 차이)는 누설 전류 수준에도 영향을 미칠것이다. 전통적인 게이트 산화물 즉 이산화 실리콘의 장벽은 약 8 eV이다. 많은 대체 유전체의 장벽은 현저히 낮아서 높은 유전체 상수의 이점을 상쇄한다.
공정 변이.
모스펫이 소형화되면서 다양한 트랜지스터 특징을 만들어내는 실리콘 원자의 수는 적어졌다. 칩을 제조하는 동안 일어나는 무작위의 공정 변이는 트랜지스터의 크기에 영향을 미칠 수 있는데, 트랜지스터가 소형화되면서 트랜지스터 전체 크기의 상당부분을 차지한다. 트랜지스터 특성이 덜 결정적으로 되고 더 통계적으로 된다. 이 통계적 변이는 설계의 어려움을 증가시킨다.
모스펫 구성.
게이트 재료.
게이트 금속의 첫 번째 기준은 좋은 전도이다. 고농도 도핑된 폴리실리콘은 수용가능하지만 확실히 이상적인 전도체는 아니고 이것 역시 표준 게이트 물질의 역할에서 약간의 기술적 결함으로 힘들다. 그럼에도 불구하고 게이트 재료로 폴리실리콘의 사용은 몇 가지 좋은 이유가 있다:
폴리실리콘 게이트가 지난 20년간 사실상 표준인 동안에 몇 가지 단점이 있어서 금속 게이트나 미래의 다른 물질로 대체할 수 있다. 이런 단점은 다음과 같다:
다른 모스펫 종류.
이중 게이트 모스펫.
이중 게이트 모스펫은 사극관 환경을 지녀서 소자에서 전류를 양쪽 게이트로 제어한다. 라디오 주파수 응용에서 소신호 소자에 일반적으로 사용돼서 두 번째 게이트는 일반적으로 증폭값 제어나 혼합과 주파수 변환에 사용된다.
공핍형 모스펫.
"공핍형" 모스펫 소자가 있어서 이미 설명한 표준 "확장형" 소자보다 일반적으로 덜 사용된다. 이것들은 도핑된 모스펫 소자이여서 게이트에 어떤 전압을 인가하지 않아도 채널이 존재한다. 채널을 제어하기 위해서 음의 전압이 게이트에 걸리면 공핍된 채널은 감소되어 전류가 소자에 흐른다. 실제로 공핍형 소자는 일반적으로 닫힌 스위치와 동일하며 확장형 소자는 일반적으로 열린 스위치와 동일하다.
엔모스 논리.
N채널 모스펫은 P채널 모스펫보다 작고 실리콘 기판에서 생산된 모스펫의 한가지 형태는 저렴하고 기술적으로 간단하다. 이것들은 N채널 모스펫을 한정적으로 사용한 엔모스 논리 설계의 강력한 원리이다. 그러나 시모스 논리와 다르게 엔모스 논리는 스위칭이 일어나지 않을때도 전력을 소비한다. 기술적으로 진보된 시모스 논리는 디지털 칩에 접합한 공정이 되기 위해 1980년대의 엔모스 논리를 대체했다.
전력 모스펫.
전력 MOSFET은 위에 보인 것보다 다른 구조를 가지고 있다. 모든 전력소자의 구조는 수직이고 평판이 아니다. 수직구조를 사용한 이것은 차단되 고전압과 고전류를 유지하는게 가능한 트랜지스터이다. 트랜지스터의 전압등급은 도핑과 N에픽택시막 (단면 부분을 보세요) 두께의 기능이고 전류등급은 채널폭 (넓은 채널은 고전류)의 기능이다. 평판 구조에서 전류와 항복전압 등급은 "실리콘 재산"의 비효율적 사용으로인한 채널면적 (채널의 폭과 길이 각각)의 기능이다. 수직주조에서 소자면적은 유지할 수 있는 전류에 대충 비례하고 소자두께 (실제로는 N에픽택시막 두께)는 항복전압에 비례한다.
측면의 구조가 존재하는 전력 모스펫은 특별히 가치있다. 이것은 최상급 오디오 증폭기에 주로 사용된다. 장점은 포화영역 (접합형 트랜지스터의 선형영역과 일치됨)에서 수직형 모스펫보다 좋은 특성이다. 수직형 모스펫은 스위칭 응용에 설계되어서 통과와 차단상태에만 사용된다.
디모스.
디모스는 이중으로 확산된 금속 산화막 반도체 ()의 줄인말이다. 대부분의 전력 MOSFET은 이 기술을 이용하여 만든다.
모스펫 아날로그 스위치는 온일 때 아날로그 신호를 통과시키는 낮은저항 스위치같이 모스펫 채널을 사용하고 차단일 때 높은 임피던스같이 모스펫 채널을 사용한다. 신호는 모스펫 스위치를 교차하여 양쪽 방향으로 흐른다. 이 응용에서 모스펫의 드레인과 소스는 게이트와 비교한 각 전극의 전압에 따라서 위치를 서로 교환한다. 집적 다이오드가 존재하지 않는 간단한 모스펫에서 소스는 엔모스에서 좀 더 음의 측이고 피모스에서 좀 더 양의 측이다. 모든 이런 스위치는 게이트-소스, 게이트-드레인, 소스-드레인 전압에 의하여 어떤신호가 통과할지 차단할지가 제한되다; 초과된 제한전압은 잠재적으로 스위치를 손상시킬 것이다.
단독형 모스펫 스위치.
아날로그 스위치는 N형이나 P형의 사단자의 단순한 모스펫을 사용한다. N형 스위치의 경우 보디는 가장 낮은 전원 (일반적으로 그라운드)에 연결되고 게이트는 스위치 제어로 사용된다. 게이트 전압이 문턱전압이상 소스전압을 초과할 때마다 모스펫은 전도된다. 더 높은 전압은 모스펫이 더욱 전도되게 한다. 엔모스는 (Vgate-Vtn)보다 낮은 모든전압은 통과할 것이다. 스위치가 전도되면 일반적으로 선형영역으로 동작된다. 왜냐하면 소스와 드레인 전압은 일반적으로 거의 비슷하기 때문이다.
피모스의 경우에 보디는 가장 높은 전압에에 연결되고 게이트는 낮은 전압이 스위치를 열게 한다. 피모스 스위치는 (Vgate+Vtp)보다 높은 모든전압은 통과한다.
피모스 스위치는 동일한 면적의 엔모스 소자 저항의 약 3배정도이다. 왜냐하면 전자는 실리콘에서 양공의 3배 이동도를 갖기 때문이다.
스위치의 이 "상보성"이나 시모스형은 한가지형 스위치의 제한을 보완하기 위해 하나의 피모스와 하나의 엔모스 장효과 트랜지스터를 사용한다. 장효과 트랜지스터는 병렬로 연결된 드레인과 소스가 있으며 피모스의 보디는 고전압 (VDD)에 연결되어 있고 엔모스의 보디는 저전압 (GND)에 연결되어 있다. 피모스의 게이트에서 채널을 온하는 것은 저전압을 인가하는 것이고 엔모스의 게이트는 고전압을 인가하는 것이다. (VDD-Vtn)과 (Gnd+Vtp) 사이 전압의 모든 장효과 트랜지스터는 신호를 전도하여 (Gnd+Vtp)보다 낮은 전압의 엔모스는 양공으로 전도되고 (VDD-Vtn)보다 높은 전압의 피모스는 양공으로 전도된다.
오직 이 스위치에서 제한은 모든 장효과 트랜지스터에서 게이트-소스, 게이트-드레인, 소스-드레인 전압 제한이다. 또한 피모스는 일반적으로 엔모스의 3배 폭이여서 스위치는 안정될 것이다.
광주군은 한국에 존재했던 군이다. 경기도와 전라남도에 있었다.
사카모토 료마(, 덴포 6년 음력 11월 15일(1836년 1월 3일) ~ 게이오 3년 음력 11월 15일(1867년 12월 10일))는 도사번 고시(鄕士) 계급 출신으로, 일본의 무사(武士) 겸 사업가이다. 료마는 탈번하여 지사(志士)로서 활동하면서 무역회사와 정치조직을 겸한 가메야마 조합을 세웠고, 이 회사는 훗날 개칭해 가이엔타이가 되었다. 그리고 삿초 동맹의 알선, 대정봉환의 성립 등을 위해 노력하여 에도 막부 타도 및 메이지 유신에 영향을 주었다. 대정봉환 1개월 후, 교토의 여관 오미야에서 료마는 암살당했다. 이러한 업적을 남긴 료마는 시바 료타로의 소설 《료마가 간다》의 주인공으로 등장한 이후, 지명도가 비약적으로 성장하여 에도 막부 말기의 풍운아로서 일본 국민의 인기를 얻었다. 쇄국과 개화의 갈림길에서 과감한 결단으로 역사를 개척한 료마의 드라마틱한 모습은 오늘날 일본인들에게 많은 영감을 주고 있다.
료마는 덴포 6년(1835년) 11월 15일(음력), 도사번(오늘날의 고치현 고치) 하급 무사인 고시(鄕士) 계급의 사카모토 가문에서 아버지 사카모토 나오타리와 어머니 사카모토 고 사이에서 차남으로 태어났다. 형과 3명의 누나가 있었다.
사카모토 가문은 전당포, 주조업, 포목상을 영위하는 호상 사이다니야(才谷屋)의 분가로, 고조부 나오마스(直益)의 장남 나오미(直海)가 번으로부터 고시 어용인(御用人)으로 등용되어 사카모토 가문을 일으켰다. 도사번의 무사 계급은 상사(上士)와 하사(下士)로 나뉘어 양자 간에는 차별이 존재하여, 하사는 오랫동안 여러 면에서 억압되어 왔다. 상인 출신의 사카모토 가문은 하사였지만, 분가 사이타니야로부터 많은 재산을 분여받아 매우 유복하였다.
료마가 열두 살이 되는 해인 1846년, 어머니 고가 향년 49세에 병사했다. 당시 쉰 살 이었던 아버지 나오타리는 후처인 이요를 맞이한다. 료마는 그 뒤 새어머니 이요의 손에서 자랐는데, 이요는 료마의 교육에 매우 엄격했다. 사카모토 가를 방문한 사람의 목격담에 따르면 "예절이 밝지 못하다는 이유로 료마에게 반성을 요구하며 객실에 무릎을 꿇어 앉혀놓은 채 끼니도 굶길 정도로 엄격했다"라고 한다. 이렇게 교육은 엄격했지만 료마는 새 어머니와 사이가 좋았다고 한다.
료마는 14살 때부터 히네노 벤지(日根野弁治)가 가르치는 히네노 도장에 다녔다. 그러다가 19살이었던 1853년 3월, 료마는 히네노에게서 《오구리 류 야와라 병법사 목록》(小栗流和兵法事目録)을 하사받았다.
에도 유학.
병법사 목록을 받자 료마는 더욱 심도있게 검술을 연마하기 위해 1853년 에도로 유학했다. 료마는 북진일도류(北辰一刀流) 지바 도장에서 검술을 배우면서, 한편으로는 에도의 존왕양이론자들과 사귀었으며 그 해 말에는 사쿠마 쇼잔의 사숙에서 공부했다. 같은 해 페리 제독이 흑선을 타고 내항했고, 무사계급에서는 서양 세력에 대해 개항하려는 막부에 대한 반감이 커지고 있었다.
1854년 6월 23일 료마가 고향으로 돌아오자 히네노는 료마에게 《오구리 류 야와라 병법 12개조와 25개조》를 하사했다. 료마가 처음 받았던 병법사 목록은 면허의 초전(初傳)임에 반해, 12개조와 25개조는 면허 중전(中傳)으로서 이는 료마가 에도에서 수련하여 솜씨가 늘었다고 인정받았음을 알 수 있다. 이 해 겨울, 료마는 유학자이자 화가인 가와다 쇼료로부터 서양에 대해 배웠다. 료마는 쇼료에게서 외국 배를 구입해 동지를 모아 운송업을 하며 배에 드는 비용을 조달하고 항해 기술을 터득하라는 충고를 들었고, 이는 훗날 료마가 걷게 될 해운의 길에 발을 내딛는 계기가 되었다.
그 다음해인 1855년 12월 4일, 아버지 나오타리가 사망하자 세달 뒤인 1856년 2월 2일, 형 곤페이가 집안의 대를 이었다. 그러곤 료마는 그 해 다시 에도로 가 지바 도장에서 2년간 수련을 하며 1858년 1월에는 료마는 지바 도장에서 스승 지바 사다키치(千葉定吉)에게 《북진일도류 장도 병법목록》(北辰一刀流長刀兵法目録) 1권을 받았고, 그 해 9월 검술 수행을 마치고 귀국했다.
도사 근왕당.
료마는 1861년 9월 경, 다케치 즈이잔이 주도한 도사 근왕당의 《도사 근왕당 혈맹자 성명 사본》에 아홉 번째로 서명함으로써 도사 근왕당에 가입했다. 그러나 료마는 평소 다케치와 친분이 있었지만 이런 정치적 결집은 몹시 기꺼워했으며, 다케치가 주장한 일번근왕(一藩勤王)은 따르지 않았다.
가입 직후인 10월 1일, 료마는 히네노 벤지로부터 《오구리 류 야와라 병법 3개조 목록》(小栗流和兵法三箇條)을 수여받았다. 이는 오구리 류의 면허 개전(皆傳)으로서, 오구리 류의 모든 것을 전수받았다고 볼 수 있다. 그 후 료마는 검술수행을 하러 마루가메 번의 도장에 간다는 명목으로 여행 허가를 얻어 여행을 떠났다. 이러한 여행 도중 료마는 하기에서 존왕양이파를 대표했던 인물 중 하나인 구사카 겐즈이를 만나 번을 초월한 일본의 통합을 호소하며 대화를 나누었다.
탈번.
료마가 왜 탈번했는지 그 이유는 분명치 않지만, 이러한 도사 근왕당의 과격한 정세를 싫어한 것이 탈번의 이유중 하나였다. 또 다른 이유는, 요시무라 도라타로(吉村虎太郞)의 설득 때문이었다. 요시무라와 함께 탈번한 소노조는, 요시무라와 상의한 끝에 이미 탈번한 상황에서 시모노세키에서 고치로 되돌아가 료마를 데리고 다시 번을 빠져나왔다. 소노조는 더 많은 사람을 데리고 나가려 했지만 다케치가 허락하지 않아 료마만을 데리고 나오게 되었다.
료마가 탈번한 해 1862년, 료마는 개화파이자 군함 부교 나미(軍艦奉行並) 직책에 있던 가쓰 가이슈를 만나고 그의 견식에 감복해 그 자리에서 그의 제자가 된다. 가쓰로부터 서양 문물을 배운 료마는 양이에서 개화로 생각이 크게 바뀌며, 번이라는 작은 나라가 아니라 일본국으로서 미래를 준비해야 한다는 생각을 가지게 되었다.
가쓰는 다음 해 2월 25일, 도사 번 번주였던 야마우치 도요시게를 만나 료마의 탈번의 죄를 사면받았다. 그 다음해인 1863년, 료마는 가쓰를 도와 고베 해군 훈련소 설립에 힘썼다. 가쓰는 4월 21일 오사카에 도착한 쇼군 이에모치를 모시고 이튿날 효고 방면을 안내한 뒤, 고베에 가서 그곳에 해군 훈련소를 설치하고 싶다고 직접 담판을 하여 허가를 받아내었다. 해군훈련소는 막부의 정식 기관으로서 막부로부터 필요한 경비를 제공받았고 이와 별도로 가쓰는 고베에 사설학교를 세워도 된다는 허가도 받아내었다. 하지만 이는 사비로 운영해야 했기 때문에 번창시키기 위해서는 자금이 부족했다. 그러나 막부의 지원만으로는 자금이 부족했기에 료마는 해군 훈련소 설립 자금 조달을 위해 가쓰의 사신으로서 에치젠국 후쿠이번의 번주였던 마쓰다이라 슌가쿠를 찾아가 천냥을 빌렸다.
료마가 해군 훈련소 설립으로 바쁘던 이 해 4월, 도사 번의 정세가 변하고 다케치 즈이잔이 번의 정권을 주도하고 있던 것에 불만을 품은 도요시게는 다시 실권을 되찾기 위해 요시다 도요 암살의 하수인을 조사하도록 명령하고, 도사 근왕당 숙청에 나섰다. 또한 5월 경, 조슈 번의 존왕양이파가 시모노세키에서 양이를 결행하는 사건도 발생했다. 그 후 9월 21일, 결국 다케치 즈이잔을 포함한 주요 당원이 투옥되고 2년 뒤인 1865년 음력 5월 11일, 다케치가 할복함으로써 도사 근왕당은 해체된다.
료마는 1863년 10월 료마는 고베 해군 훈련소의 책임자가 되었다. 이 무렵, 야마우치의 도사 근왕당 탄압이 심해지자 료마 등 도사 번 출신들에게 귀국 명령이 내려진다. 하지만 당시 료마는 해군 훈련소 업무 수행에 힘쓰고 있어서 12월 경 가쓰는 손수 탄원서를 써 료마의 귀국 명령을 취소해 달라고 탄원했다. 그런데도 가쓰의 탄원서는 받아들여지지 않고 료마는 다시 탈번하는 신세가 되었다.
그 다음해 1864년 1월 경, 천황과 조정을 개항 노선으로 전환시키기 위하여 산요회의가 시작되었다. 그리고 2월 경, 프랑스의 군함이 작년 조슈 번의 양이에 대한 보복으로 조슈의 시모노세키를 공격할 조짐을 보였다. 그러자 당시 산요회의에 참석하고 있던 가쓰에게 도쿠가와 요시노부가 공격을 저지하라는 명령을 내리고, 가쓰는 2월 10일 료마를 비롯한 열네 명의 문하생을 이끌고 중재를 위해 출발했다. 그리고 2월 14일, 구마모토에 도착하자 가쓰는 료마를 요코이 쇼난에게 사신으로 보냈다. 료마에게 해군 훈련소에 대한 이야기를 듣고 쇼난은 해군 문답서를 적어 나가사키에 있던 가쓰에게 보냈고, 다음 해 1865년 가쓰는 다시 료마를 쇼난에게 보내, 쇼난의 조카 두 명을 해군 훈련소에서 교육시키기 위해 데려오게 했다.
해군 문답서에서 쇼난은 총독관에게 해군의 전권을 위임해 막부의 각료가 간섭하지 못하게 하고 신분이 아닌 능력 위주로 지휘자로 선발하게 하도록 하는 등 가쓰의 구상을 뛰어넘는 다소 파격적인 구상을 제시했다. 하지만, 조카를 맡은 뒤 료마와 가쓰가 돌아오자 떠날 때 와의 상황과 딴 판이 되어있었다. 산요회의는 해체되고, 조정과 막부는 양이 노선으로 되돌아가 요코하마 쇄항에 합의하는 등 흐름은 쇄국정책의 노선으로 가고 있었다. 이에 따라 산요회의의 연장선에서 구상된 해군 문답서는 한낱 꿈이 되었고, 가쓰의 해군 구상도 그 가치가 하락되어버렸다.
5월 4일, 오사카 수군이 폐지되어 고베 해군 훈련소에 들어가고 5월 14일 고베 해군 훈련소가 발족되었다. 료마가 평생의 동반자 나라사키 료를 만난 것도 이 무렵이다. 발족과 동시에 가쓰는 군함 부교 나미에서 군함 부교로 승진하여 해군의 총 책임자가 되었다. 6월 2일경, 료마는 급한 용무가 있어 교토에서 에도로 떠난다. 그리고 바로 3일 뒤, 신센구미(新選組)가 조슈의 존왕양이파를 습격한 ‘이케다야 사건’이 발생했다. 에도에 간 료마는 6월 17일 시모다항에 도착해 가쓰에게 홋카이도 개발에 대한 구상을 털어놓았다. 그러나 이 무렵까지도 료마와 가쓰는 이케다야 사건의 발발에 대해 모르고 있었다. 한달 뒤 7월 19일 저녁, 교토에서 세력을 잃은 조슈 번의 존왕양이파가 세력 회복을 위해 교토로 병사를 이끌고 진격한 ‘금문의 변’이 발생했다. 이 변은 다음날 새벽 조슈 번의 패배로 끝났고, 조슈 번은 조정의 적으로 낙인이 찍혔다. 가쓰는 20일 조정의 요청을 받고 간코마루 호를 타고 출발했지만 료마는 승선하지 않았다. 료마는 당시 홋카이도를 개발하자고 역설한 뒤 고큐마루 호에 타고 있었다. 그러다가 에도로 돌아와서야 비로소 이케다야 사건에 대해 알게되었다. 그리고 에도로 돌아온 8월 초순, 료마와 료는 곤조지(金倉寺) 본당에서 소박하게 혼례를 올렸다. 또한 이 무렵 가쓰는 료마를 사이고 다카모리에게 소개해주었다.
사이고와 료마가 대면한 날을 전후해 가쓰는 로주 아베 마사토를 여러번 만났다. 아베는 교토 조정에 양이가 불가능하다고 뚜렷하게 말한 최초의 로주였다. 기존의 로주들이 실현 불가능한 양이를 약속하는데 진저리가 났던 가쓰는 아베를 높이 평가해 사이고 등에게도 추천하여 사쓰마 번과 에치젠 번도 교토에서 아베와 접촉했다. 이들 앞에서 막부는 강력한 번들과 연합하여 정치를 해나가야 한다는 주장을 한 가쓰를 막부 독채를 관철해야 한다는 사상을 가진 아베는 크게 반대하였고, 가쓰는 이 일을 계기로 에도로 소환되어 11월 10일, 군함 부교직을 파면당했다. 이로 인해 가쓰는 더 이상 해군 훈련소를 이끌어 나갈 수 없게되어 얼마 뒤 문을 닫게되었다. 그리고 료마 일행은 사쓰마 번의 보호를 받게 되었다.
가메야마사츄.
이후 가쓰가 물러나고 훈련소가 문을 닫자, 료마는 사쓰마 번의 원조를 받고 '가메야마사츄'라는 무역회사를 세웠다. 이 조합은 상업활동 등에 종사하는 현대의 기업과 유사한 성격을 가진 회사였다. 가메야마 조합은 당시 상인들이 모여있던 고조네 이시로의 집을 근거지로, 시모노세키의 이토 스케다유(伊藤助太夫)의 집과 교토의 식초가게에 사무실을 설치했다.
막부 세력으로부터 한 차례 타격을 받은 조슈 번은 그들을 교토 정치로부터 몰아낸 중심 세력에 있던 사쓰마 번과 아이즈번에 뿌리깊은 반감을 갖게 되었고, 일부 번사들은 이들과는 하늘아래 함께 살 수 없다고 맹세하며 '살적회간'(薩賊會奸) ('사쓰마는 도적이고 아이즈는 간사한 자이다') 라는 네 글자를 나막신 바닥에 써놓고 짓밟으며 울분을 토할 정도였다. 이러한 분위기 속에서도 도사 번의 탈번 지사 나카오카 신타로와 그의 동지 히지가타 히사모토(土方久元)는 사쓰마와 조슈 같은 세력이 강대한 번의 동맹을 촉구해, 이를 통해 무력 막부의 토벌을 바라고 있었다. 료마는 히젠의 오무라번 지사인 와타나베 노보루를 만나, 삿초 동맹의 필요성을 역설했다. 와타나베는 원래 연병관(練兵館)의 우두머리로, 조슈 번의 중신 기도 다카요시나 다카스기 신사쿠 등과 막역한 사이였기 때문에, 료마는 와타나베에게 조슈 번에 로비를 의뢰했다. 와타나베는 이 일을 맡아 조슈 번에 가서 삿초 동맹의 필요성을 알리고, 나가사키에서 다카요시와 료마의 만남을 주선했다. 1865년 5월, 먼저 히지가타와 료마가 협동해 다카요시를 설득하고 시모노세키에서 사쓰마 번의 사이고 다카모리와의 회담을 승낙시킨 동시에, 나카오카는 사쓰마로 향해 사이고에게 회담을 승낙시키도록 했다. 같은 해 5월 21일, 료마와 다카요시는 시모노세키에서 사이고가 나타나기를 기다렸고, 나카오카는 어선을 타고 사이고와 함께 다카요시를 만나러 오고있었다. 사이고는 시모노세키를 향하고 있었지만, 도중에 조정의 의견이 막부의 조슈의 재정벌로 기우는 것을 저지하기 위해 급히 교토로 향해버렸다. 다카요시는 격분했고 화해의 진전은 불가능 해 보였지만, 료마와 나카오카는 사쓰마와 조슈의 화해를 포기하지 않았다.
막부 타도의 선봉장에 있던 조슈 번에 대해, 막부는 외국 세력에 조슈 번과의 무기나 탄약 류의 거래를 전면적으로 금지하자, 조슈 번은 근대 무기의 도입이 어려워지고 있었다. 한편, 사쓰마 번은 군량미의 조달을 고심하고 있었다. 여기서 료마는 사쓰마 번의 명의로 무기를 조달해 은밀히 조슈 번에 되팔고, 그 대신에 조슈로부터 사쓰마 번에 부족하던 쌀을 공급하는 방안을 제안했다. 거래의 실행과 화물의 운송은 가메야마 조합이 담당했다. 이 계책에 의해 양 번의 일촉즉발의 분위기가 해결되었고, 양 번 모두 자연히 수긍했다.
이것이 가메야마 조합의 첫 실적이 되어, 당시 외국인이 많이 모이던 나가사키에서 외국인과 접촉할 기회가 늘어남에 따라 료마는 영어와 네덜란드어 공부를 시작했다. 그리고 8월엔 나가사키의 토머스 블레이크 글러버가 운영하던 '글로버 상회'()로부터 미니에 총() 4,300정, 게벨 총() 3,000정을 사쓰마 번의 명의로 조슈 번에의 매입 알선에 성공했다. 이것은 동시에 사쓰마와 조슈의 화해의 계기가 되었다. 또, 곤도 조지로(近藤長次郎)의 활동으로 사쓰마 번의 명의로 영국제 증기 군함 유니온 호()（사쓰마 명 '사쿠라지마 마루'(櫻島丸), 조슈 명 '잇쵸 마루'(乙丑丸))의 구입에 성공하였고, 소유권을 둘러싼 분쟁은 있었지만 10월과 12월에 조슈 번과 사쿠라지마 조약을 체결, 선박의 운항은 가메야마 조합이 맡게 되었다.
삿초동맹.
도막의 중심은 사쓰마번(가고시마현)과 조슈번(야마구치현)이었다. 사쓰마 번은 조정과 손을 잡아 막부를 일으켜 세워야 한다는 중도파였음에 반해, 조슈 번은 막부를 타도하고 왕정을 부활시켜야 한다는 급진파로서 두 번 대립하며 사이가 매우 나빴다. 료마는 동향인 나카오카 신타로와 함께, 두 번을 중재하여 1866년 삿초 동맹(사쓰마와 조슈 동맹)을 결성하는 데 공헌했다. 삿초 동맹이 체결된 바로 다음날, 료마를 포함한 지사들이 모여있던 데라다야 여관에서 료마 일행을 암살하려는 사건(데라다야 사건)이 발생한다. 암살범은 밝혀지지 않았지만, 삿초 동맹에 위협을 느낀 막부의 소행이라는 설이 있다.
가이엔타이.
1867년 4월, 료마는 2번째 탈번했던 죄를 용서받고 가메야마 조합의 대장이 되어 도사 번 부속 외곽기관으로써 가메야마 조합의 이름을 가이엔타이(海援隊)로 개칭한다. 가이엔타이 창립 후, 료마는 이로하마루() 호 라는 전함을 직접 이끌고 항해에 나서게 된다. 하지만 운 나쁘게도 기슈번(紀州藩)의 메이코마루(明光丸) 호와 충돌하여 이로하마루 호는 바다속으로 가라앉는다.(이로하마루 사건) 이 사건의 배상 교섭에 나선 료마와 고토 쇼지로(後藤象二郞)는 기슈 번 대표에게 거액의 배상금을 지불하겠다는 약속을 받아냈다. 이것을 담보로 사용하면 당장이라도 거대한 함선을 구입하여 무역에 나설 수 있었지만, 료마는 그 길을 택하지 않고 고토의 의견에 따라 도사 번의 배로 고토와 함께 상경하여 대정봉환을 성사시키기 위해 본격적으로 움직이게 된다.
선중팔책과 대정봉환.
1867년 교토로 가는 배에서 료마는 대정봉환 등의 구상을 담은 선중팔책을 입안했다. (이 선중팔책은 훗날 신정부강령팔책(新政府綱領八策)이라는 메이지 정부의 기본 이념이 된다.) 대정봉환의 구상은 료마가 속했던 도사번의 번주인 야마우치 도요시게가 도쿠가와 요시노부(德川慶喜)에게 건의하여 채택되었다. 이후 천황이 이를 받아들여 실제로 대정봉환이 이뤄졌고, 정권은 막부에서 천황 중심의 조정으로 평화적으로 넘어갔다. 이 사건으로 일본은 봉건시대를 종식하고 메이지 유신을 통한 중앙집권적 근대국가로 발전하게 된다.
대정봉환 한달 후 료마는 나카오카와 함께 교토에 머물다가 음력 11월 15일 오미야 여관에서 습격을 받고 피살됐다.(오미야 사건) 누구의 소행인지는 밝혀지지 않았다. 막부측 미마와리구미의 소행이라는 설이 유력한 가운데, 신센구미, 아군인 사쓰마 번 음모설 등 여러 설이 있다. 료마는 머리에 상처를 입었고 천천히 죽어갔다. 그의 죽음에 관해서는 당시 같이 습격당했던 나카오카가 중태인 가운데서도 3일간 생존했기 때문에 그에 의해 소상히 전해질 수 있었다.
교토 미마와리구미설.
다이쇼 시대가 된 전 미마와리구미 대사였던 이마이 노부오, 와타나베 아쓰시의 구술로, 사사키 다다사부로 등이 실행범이라고 증언하고 있다. 또한 가쓰 가이슈는 막부 상층부의 지시라고 추측하고 있다. 이 미마와리구미 설이 통설이 되었으며, 여기에 의문을 나타내는 역사학자는 없다. 하지만, 이마이나 와타나베의 구술에 어긋나는 부분（자객의 인원 구성, 현장에 두고 간 칼집의 소유자 등）이 있어서, 주로 작가를 중심으로 여러 가지 이설이 나오는 상황이다. 또한 현장에 달려가서 나카오카 신타로를 문병한 다니 다테키는 교토 미마와리구미 설을 믿지 않았다고 한다.