안녕하세요, 송송입니다. 제가 지금껏 공정쪽으로만 집중해서 소개해드렸습니다만, 반도체를 잘 모르시는 분들이 보시기에는 아니 간단하다고 하는데 대체 뭔 얘기야? 하실 수 있습니다.
그렇기 때문에 이번 기회에 같이 한번 반도체가 뭔지!! 같이 알아보도록 할게요.
저도 한참 전에 배웠던거라.. 사실 잘 기억이 가물가물~~ 그래도 한번 시작해보죠.
현재 대한민국의 최고의 먹거리라고 할 수 있죠? 반도체 강국! 이번 년도는 Top-down 시기라 모든 반도체 기업들이 힘들어 하고는 있지만.. 잘 이겨내 봅시다.
▶ 반도체(Semiconductor)란?
- 사전적 개념 : 전기 전도도가 금속(Metal 또는 Conductor)과 절연체(Insulator)의 중간 정도이고, 일반 금속(금속은 온도 증가에 따라 저항 증가)과 달리 온도 증가에 따라 저항이 감소되는 온도 영역이 존재하는 재료를 총괄하여 말함
- 일반적 개념 : 반도체 물질을 이용하여 제조된 반도체 소자
* 간단히 = 반!은 도체 반!은 부도체 역할을 한다. 내가 원할때 전류를 딱! 흘려보내서 도체 역할을 해주면서 원하지 않으면 딱! 전류를 끊는 녀석. 우리가 실생활에 사용하는 거의 모든 전자제품들을 포함하고 있죠!
잘 모르고 지냈던 녀석인데.. 사실 우리와 제일 친한 녀석이기도 하죠.
반도체가 전자 소자로 이용될 수 있었던 근거가 무엇일까요?
- 온도 변화 특성, 전기전도 특성 등 여러 가지 전기, 전자적, 광학적 특성이 불순물 종류, 함유량에 따라 차이가 생기기 때문입니다.
* 간단히 = 응용이 무긍무진하다는 것이죠.
반도체를 정의하고 가겠습니다.
반도체!! → 전기 전도도가 도체와 부도체의 중간 정도 되는 물질
* 전기 전도도 = 전기가 흐르는 정도.
도체의 경우 전기 전도도가 아주 크며, 부도체는 전기 전도도가 0이다.
순수한 반도체의 경우는 부도체와 동일하게 취급하고 있지만, 인위적인 조작을 할 경우에 도체와 같이 전기가 흐르게 됩니다.
즉, 전기 전도도의 조절 가능이 용이한 물질!
▶ 구성 물질에 따른 반도체의 종류
1) Elemental Semiconductor : Si이나 Ge과 같이 단일 원소로 구성되는 반도체
- Intrinsic Semiconductor(진성 반도체) : 반도체 결정의 원자에서 공급되는 자유전자 및 정공(Hole)에 의해서만 전기전도도가 이루어집니다.
- Extrinsic Semiconductor(외인성 반도체) : 순수한 반도체 재료에 약간의 특정한 불순물 원자를 의도적으로 넣은 것
전기적 성질이 불순물의 종류 및 농도로 결정됨
2) Compound Semiconductor :2족에서 4족 및 3족에서 5족에 속하는 원자들의 화합물 반도체
- 2원소 (Ga-As 반도체), 3원소 화합물 반도체, 4원소 화합물 반도체 등 다양하게 있습니다.
- 결정 성장이 까다롭고 화학적으로 불안정합니다.
- 고속 또는 빛을 방출, 흡수하는 소자로 많이 쓰이고 있습니다.
▶ 물질의 저항률에 의한 정의!
- 저항률이 10-8 ~ 10-5까지는 도체, 10-5 ~ 104까지는 반도체, 104 ~ 1016까지는 절연체로 분류되고 있습니다.
반도체를 이해하려면 먼저 원자에 관해서 알고 가야합니다. 결국은 반도체를 구성하는 것은 원자 내 들어있는 것들에 의한 현상이니까요.
▶ Structure of Atoms
- 전자들은 원자핵으로부터 임의의 거리를 두고 원자핵 주의를 돌고 있습니다.
- 원자핵에 근접한 전자들은 이보다 더 멀리 떨어진 궤도에 있는 전자들보다 낮은 에너지를 갖게 됩니다. (원자핵과 전자 사이에 작용하는 인력 때문)
▶ 에너지 준위란?
- 미시적(Micro)인 입자(Particle) 또는 입자계가 가질 수 있는 에너지 값
- 핵으로부터 떨어져 있는 각각의 궤도는 특정한 에너지 준위에 해당합니다.
- 원자 내에서, 궤도들은 '각' 이라고 알려진 에너지 띠 속에 무리지어 있습니다.
- 주어진 각가그이 원자는 정해진 고유한 수의 각을 갖고 있습니다.
▶ 최외각 전자
- 원자핵에서 먼 궤도들에 있는 전자들은 원자핵에 근접 되어있는 전자들보다 더 높은 에너지(운동에너지)를 가지고 있으며, 원자에 덜 구속되어 있습니다.
- 이것은 양(+)으로 대전된 원자핵과 음(-)으로 대전된 전자 사이에 작용하는 인력이 원자핵으로부터 거리가 증가함에 따라 감소함에 생기는 것입니다.(* 쿨롱의 법칙)
- 가장 높은 에너지 준위를 갖는 전자들은 가장 바깥쪽 각에 존재하며, 원자에 비교적 느슨하게 결합되어 있습니다.
- 가장 바깥쪽에 위치한 각은 최 외각이라고 부르고, 이 각 내에 위치한 전자들을 가전자(최 외각 전자)라고 부릅니다.
→ 이러한 최외각 전자들은 물질 구조 내에서 화학적 반응과 결합에 기여하며, 물질의 전기적 특성을 결정하는 중요한 역할을 하고 있습니다.
▶ Ionization
- 최외각 전자를 잃는 과정을 이온화라고 합니다. 이 결과를 통해 발생하는 양(+)으로 대전된 원자를 양이온이라고 부르죠.
- 이탈한 최외각 전자를 우리는 자유전자라고 부르고 있습니다.
- 자유 전자가 에너지를 잃고 중성 원자의 최외각으로 떨어질 때, 원자는 음(-)으로 대전하며, 이를 음이온이라고 부르고 있죠.
*다들 많이 들어보셨죠? 뭐 음이온 독서실이니 음이온 게르마늄 팔찌니..
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
반도체에서는 자유전자에 의한 현상이 엄청 많이 나오기 때문에 꼭 기억해주시고 넘어가셨으면 좋겠습니다.
내용이 좀 뒤죽박죽이에요. 사실 어디서부터 설명해야할지 잘 모르겠기도 하고요.
다음에는 에너지 밴드갭에 대해 알아보도록 하겠습니다.!