[공식없는 반도체 이야기]#1 - 반도체란 무엇인가?

@서론@

 

안녕하신가 군대간 주인장을 대신해

일정기간 이곳을 관리하고

반도체 쪽은 또 내가 전공이라

메카니컬 엔지니어의 형

매태리얼 엔지니어로써

오늘부로 이 채널은 나의 것이 되었다.

어우 오글거려 그만.

현재 나는 서울 대표 번화가에 있는 모 대학 4학년생이다.

물론 그렇다고 나의 반도체 지식이 완벽한 것은 아니다.

(사실 정신 차리고 공부한지 2년째고 학교는 올해 복학했기 때문에...)

 

나는 학교의 시스템 같은것은 대놓고 극혐하기 때문에

교수들마냥 공식 운운하며 가르치는 느낌으로

시리즈를 작성할 생각도 전혀 없다.

 

반도체가 뭔지도 모른 채 그냥 혐등학교에서 수업 받듯이

따라적기와 암기만 가지고 학습하는 저학년 아이들이 한심하다.

물론 전전 문장에서 서술했듯 그 친구들의 잘못이 아니다!

전부 그렇다는 것도 아니고. 또 나도 그랬다.

단지 뒤늦게 깨달으면서 후회했을 뿐.

 

그래서 난 적어도 여기 반도체 이야기에서는

저학년 친구들이 하루 빨리 반도체가 무엇인지 진정하게 알고

취업이든 연구생이 되든 결정하는데 도움이 되고자

+

영 반도체에 대해 모르는 다른 사람들에게 쉽게 알 수 있게 하고자

공식을 최소로 줄이고 원리를 위주로 이야기를 하듯 써 내려갈 예정이다.

 

네이버에 이미 나만의 블로그가 있지만

거기 것을 복붙 할 생각은 없다.

앞으로의 글이 피드백이나 좋은 읽음이었다면 댓글이나 공감을 꼭 해주길 바란다.

쓸데 없는 불편증이나 넷카시즘은 지양하시길

 

---

반도체란 무엇인가?

 

주로 이 분야와 관련이 없는 삶을 살거나

관심이 없는 삶을 살고 있다면 그 사람에게 반도체는

그냥 뉴스에 몇번 들리는 단어 혹은

전자제품에 들어가는 칩 정도로 알고 있을 것이다.

 

신소재 4학년의 입장에서 봤을 때

반도체라 함은 우리가 전기적 성질을 조절함으로써

쉽게 응용이 가능한 물질을 칭한다.

예를 들어, 흔히 도체와 부도체로 나뉘는 우리주위의 물질들,

금속, 전해질 같은 도체 물질과

나무 고무 등등등 부도체 물질이 있다.

 

이 두 개념의 큰 차이는 바로 전기가 통하냐 아니냐의 차이이다.

그렇다면 반도체는 이름의 어감만 들어도

도체와 반도체의 중간인 느낌이 들지 않는가?

 

그렇다고 반도체를 전기가 통할 때도 있고 안 통할 때도 있다는

단순한 결론을 내리진 않았으면 한다.

 

엄연히 틀린말은 아니지만? 쉽게 풀어쓰는 이야기라고 해도

공학도인데 이렇게 말하면 부끄럽기 그지없다.

전자는 기본적으로 자신의 레벨에서 에너지를 받으면,

더 높은 에너지 레벨로 이동할 수 있다.

그런데 그 레벨은 연속적이지 않고 양자화 되어있다.

1과2가 있으면, 1.5레벨은 불가능 하다는 얘기이다.

외곽으로 갈수록 전자가 가진 에너지는 높다.

 

이를 전자가 가질수 없는 에너지 영역이라고 하는데

Forbidden region 혹은 Energy gap이라고 부른다.

중간값을 가질수 없기 때문에 다음 레벨로 올라가려면

레벨 사이의 에너지 차 이상 에너지를 받아야 올라갈 수 있다.

위는 이해를 위한 그림이다.

뜀틀을 넘어야 한다고 생각하면 편하다.

고등화학 시간에 배웠다면 알겠지만 보통 물질의 전도성,

이온, 화학결합 등등은 모두 최외곽전자에 밀접하게 관련되어 있다.

 

실제 원자는 저렇게 일정궤도를 따라 돌지 않는다.

(이를 이해하려면 파동함수, 오비탈, 전자 확률밀도를 알아야한다.)

사실 기억 많이 안난다.. 4년전 내용...

 

원자 여러개가 인접할 때

다수의 원자들에 있는 다수의 전자들의 에너지 레벨이 나누어진다.

(파울리 배타원리)

촘촘하게 서로 다른 에너지 레벨들이 모이면 하나의 두꺼운 띠를 형성하는데

이를 에너지 밴드라고 한다.

나누어진 에너지 레벨들의 촘촘한 집합= 밴드

전자들이 가질수 있고, 현재 존재하는 에너지 밴드를 가전자띠(Valence Band)

전자들이 가질 수 있지만 앞서 언급한 에너지를 받지 않아서

뜀틀을 넘지않아 비어있는 밴드를 전도 띠(Conduction Band)라고 한다.

이 두 밴드 사이의 전자가 가질수 없는 에너지 영역을 밴드 갭(Band Gap)이라 한다.

되새김질을 하자면 도체들은 가전자띠와 전도띠가 겹쳐있어

전자들이 바로 에너지를 받아 들뜬상태(여기)가 될 수 있다.

 

절연체(부도체)는 에너지 갭이 너무 커서 큰 에너지를 가해도

그 뜀틀을 뛰어 넘을 수 없다. 더 강한 에너지를 가하면

절연체는 아예 파괴되어 버리는 경우가 대다수이다.

 

그러나 반도체는 위 그림의 중간 띠가 보여주는

애매한 밴드갭을 가진다.

즉, 가해진 에너지에 따라서 도체, 절연체 성질이 나타날 수 있다.

실리콘(Silicon). 성형수술에 그 실리콘은 'Silicone'으로 규소화합물을 일컫는다.

 

이 물질들의 예들이 바로 주기율표의 원소들에서

실리콘(Si)과 저마늄(Ge)인 것이다.

초기에는 저마늄 반도체를 쓰기도 했지만

반도체 속성을 유지하는 안정성이 실리콘이 좋고

공정비용도 역전 당하면서 자리를내주게 되었다.

(지금은 사짜 광고에서 게르마늄 건강팔찌에 사용되며 흑우들을 노리고 있다.)

 

외에 3,5 4,4 2,6족 끼리의 화합물도 있는데

3,5족 화합물 GaAs, InGaN등이 유명은 하다.

물론 현재 웨이퍼 기판은 Si를 쓴다.

 

이 기판에 우리가 전기적 효과를 추가하기 위해 '도핑'이라는 것을 하는데

3족이나 5족 원소를(불순물) Si들 사이에 끼워넣는 것이라고 보면 된다.

알다시피 이 '족'은 최외곽전자 수에 따라 묶어놓는 기준이다.

3족이 도핑된 경우 정공(전자 빈자리)가 생기고 이를 홀(Hole)이라고 한다.

홀 캐리어라고 부르고 B는 억셉터 원자라고 부른다.

전기가 통하면서 인근 전자가 연속해서 빈자리를 채우면

마치 홀이 이동하는 현상이 일어나는데 이를 캐리어(Carrier)라고 한다.

마치 홀이 이동하는 것 같다.

반대로 5족이 도핑된다면 공유결합을 하고 남은 전자 하나가

자유롭게 움직이게 되고 전자가 캐리어인 경우가 된다.

전자 캐리어, P원자는 전자를 제공한다는 의미에서 도너(donor) 원자라고 한다.

3족도핑된 반도체를 +의 의미로 p-type 반도체,

5족 도핑된 반도체를 - 의미로 n-type반도체라고 한다.

 

홀보다 전자가 이동하는게 더 빠르기 때문에

전기전도도는 n type이 더 좋다.

이 두 종류가 반도체공정에서의 시작점이라고 할 수 있겠다.

 

---

정리

 

반도체는 전자기기에 들어가는 칩에, 들어가는 심장이다.

많은 원자들이 모이면 전자의 에너지는 밴드형태가 된다.

가전자띠와 전도띠 사이가 밴드 갭이고,

그 간격에 따라 도체 반도체 부도체 물질로 구분된다.

 

반도체에 우리가 임의로 전기적 특성을 만드는 과정을 도핑이라한다.

도핑된 원자에 따라 n형, p형 반도체로 나뉜다.

 

별거 아닌 내용이었지만 다음에는 트랜지스터와 나노등등의

약간 더 나아가는 이야기로 찾아오겠다.