반도체란?

과학시간에 도체와 부도체를 배운 적이 있을 것입니다. 한 번 복습해보자면, 도체란 전기가 잘 통하는 물질로 금속 등을 말하고, 부도체란 전기가 잘 통하지 않는 물질로 고무, 나무 등을 말합니다.

 

전자공학에서는 전기가 흐르는 정도를 전기전도도라고 칭하는데, 이를 이용해 도체와 부도체를 다시 표현하면 도체란 전기전도도가 높은 물질이고, 부도체란 전기전도도가 0에 가까운 물질이 됩니다. 그리고 이 글에서 말할 반도체란 전기전도도가 도체와 부도체의 중간 정도인 물질입니다.

 

반도체가 중요한 이유는 무엇일까?

반도체는 전기적인 신호, 불순물 첨가, 온도 변화, 빛에 노출된 정도, 자기장, 기계적 변형 등을 통해서  전기전도도를 쉽게 변화시킬 수 있습니다. 반도체의 이 특성은 전기적인 신호만으로 정보를 처리, 저장 가능하게 만들기 때문에 굉장히 중요합니다. 

 

규소는 어떤 성질을 가졌기에 반도체의 주된 재료가 되었을까?

반도체는 주된 재료는 14족 원소인 규소(실리콘, Si)이고, 규소는 가장 안쪽 궤도에서부터 전자 2, 8, 4개를 가지므로, 가장 바깥쪽 궤도의 전자, 즉 최외각 전자이기도 한 원자가전자를 4개 가집니다. 따라서 규소는 옥텟규칙(원소는 최외각 전자를 8개 가졌을 때가 가장 안정된 상태라는 화학 이론)을 만족하기 위해 규소끼리 공유결합(최외각 전자를 공유)을 합니다.

 

공유결합 예시

규소로 만든 진성 반도체(불순물을 첨가하지 않은 순수한 반도체)의 경우, 절대영도에서는 공유결합이 안정적으로 이루어져 있기 때문에 전류가 흐르지 않고, 온도를 높여서 공유결합이 약해지게 하면 전자가 결합에서 빠져나와 전류가 흐르게 됩니다.

실리콘(규소) 원자의 배열 차이
 1. 결정질 실리콘
  - 원자가 완전히 규칙적으로 배열된 실리콘
  - 메모리, 비메모리 등의 반도체 산업에 사용된다
 2. 비정질 실리콘
  - 원자가 완전히 불규칙적으로 배열된 실리콘
  - 대형 LED 디스플레이 패널 등의 디스플레이 산업에 사용된다
 3. 다결정질 실리콘
  - 원자가 전체적으로 불규칙하지만 국부적으로 규칙적인 실리콘
  - 소형 LED 디스플레이 패널, 태양전지 등에 사용된다

 

하지만 온도가 높은 상태에서의 전류의 세기가 미약할 뿐만 아니라, 온도를 원하는 정도에 맞추어 조절하는 것도 어렵기 때문에 규소에 다른 불순물을 첨가하여 반도체를 만듭니다. 여기서 어떤 불순물을 도핑(불순물 첨가)하느냐에 따라서 외인성 반도체(순수하지 않은 반도체)인 n형 반도체와 p형 반도체로 나뉘게 됩니다.

 

n형 반도체

n형 반도체는 14족 원소 규소에 15족(or 5족) 원소를 도핑한 반도체입니다. 15족 원소는 최외각 전자를 5개 가지기 때문에, 규소와 공유결합을 하고서도 1개의 전자를 자유전자(전도전자)로 남기게 됩니다. 따라서 온도를 높이지 않아도 전류가 흐르게 되고, 이 때문에 negative(마이너스, 전자는 -전하를 가짐)의 n을 따서 n형 반도체가 되었습니다.

 

p형 반도체

p형 반도체는 14족 원소 규소에 13족(or 3족) 원소를 도핑한 반도체입니다. 13족 원소는 최외각 전자를 3개 가지기 때문에, 규소와 공유결합을 하고서도 안정된 상태가 되지 않은, 전자가 하나 부족한 상태가 됩니다. 이 때 빈 공간을 정공(양공)이라 하고, 자리가 비었기 때문에 전류가 진성 반도체보다 쉽게 흐르게 됩니다. 이 때문에 positive(플러스, 전자가 하나 부족해서 +전하를 가짐)의 p를 따서 p형 반도체가 되었습니다.

일반적으로 p형 반도체를 기준으로 전류가 흐르는 것을 설명할 때, (전자가 정공으로 이동한다고 설명하지 않고) 정공을 전자와 반대인 +전하를 가진 가상의 입자라고 가정하고, 정공이 이동하여 전류가 유발되고 전기전도도가 높아진다고 설명한다. 실제로는 최외각 전자가 이동하여 전류가 발생하는 것이지만, 이 경우 전자의 흐름을 계산하기 매우 어려워지므로 정공이 이동한다고 간주하는 것이다.

 

정리하면, 진성 반도체는 전류가 잘 흐르지 않아 부도체와 비슷한 성질을 갖지만, 15족 원소를 도핑한 n형 반도체는 자유전자의 이동으로, 14족 원소를 도핑한 p형 반도체는 정공의 이동으로 전류가 흐르며 전기전도도가 높아져 도체와 비슷한 성질을 갖습니다.