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반도체 이야기

기사승인 2021.01.11  12:07:03

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- 나경수 (사)전자정보인협회 회장

나경수 (사)전자정보인협회 회장

반도체(半導體: semiconductor)는 금속과 절연체 중간의 전기 저항을 가지며, 그 전하(電荷: electric charge)의 캐리어 밀도가 어느 온도 범위에서 온도와 더불어 증가하는 전자 혹은 이온 전도성의 고체를 말한다. 규소, 게르마늄은 대표적인 반도체이다.

반도체를 사전에서는 다음과 같이 정의하고 있다.

「전기를 전하는 성질이 도체(導體)와 부도체(不導體)의 중간 정도인 물질의 총칭. 일반적으로 저온에서는 부도체에 가까우나 온도를 높이면 전기 전도성(電導性)이 높아짐. 전기의 전도가 전자에 의해서 이루어지는 n형과 양공(陽孔)에 의해서 이루어지는 p형이 있음. 규소, 게르마늄, 셀렌, 탄소나 금속의 산화물 등. 전가 기기의 소자(素子) 등에 이용됨」

웨이퍼(wafer )는 원래는 얇은 판 모양으로 구운 가벼운 양과자이다. 밀가루, 설탕, 계란 등을 섞어서 쇠틀에 넣고 살짝 구운 다음 크림을 두 쪽을 합친 사이에 끼운다. 아이스크림에 곁들이기도 한다. 그러나 물리학에서 말하는 웨이퍼는 집적 회로의 기판(基板)으로 직경 5~10cm 정도의 실리콘 단결정(單結晶)의 박판(薄板)을 말한다.

반도체는 고온이 될수록 전기전도율이 큰 금속과 같은 양도체(良導體)와 유리와 같은 절연체 사이에 속하는 물체를 말한다. 반도체는 비전기 저항(比電氣抵抗)이 약 10-3~1012Ωcm, 절연체는 1014~10-22Ωcm 정도이다.

반도체에 속하는 중요한 물질은 게르마늄(Ge), 규소(Si), 주석(Sn), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 등 단체원소(團體元素)의 결정, 산화제1동(Cu2O)·산화아연(ZnO) 등 중금속의 산화물, 황화은(Ag2S)·황화연(PbS)·황화카드뮴(CdS) 등 중금속의 황화물, 안티몬화인듐(InSb) 등 주기율표 제 Ⅲ족과 제Ⅴ족 원소 화합물의 결정 등을 둘 수 있다. 한편 나프탈린 등 유기물 결정 중에는 비전기저항은 약간 높아도 반도체에 속하는 것도 있다.

반도체의 특징은 그 전기저항에 있다. 반도체는 금속이나 절연체와 갈리 전기저항에서 여러 가지 다른 성질이 있다. 우선 온도 변화에 따른 전기저항을 보면, 반도체는 금속이나 반금속과는 거꾸로 온도가 내려감에 따라 증가하는 경향이 있다.

상온에서 금속의 전기저항은 불순물이나 격자결함(格子缺陷)에 따라 철저히 증가하지만 반도체는 불순물이나 격자결함의 종류나 수가 전기저항을 결정하는 주요 원인이 될 뿐 아니라 그 전기저항은 시로(試料)의 순도(純度)나 처리방법에 따라 크게 증가하기도 하고 감소하기도 한다.

또한 시료에 빛을 쬐면 전기저항이 크게 감소하는 성질(光電導)도 별로 큰 변화를 일으키지 않는 금속의 특징과 구별되는 점이기도 하다.

위에서 살펴본 것이 금속과 비교한 특징인데 절연체와 비교하여도 그 성질은 거의 금속과 비교하여 본 경우와 비슷하다. 반도체 또는 금속에 전류를 흐르게 하고 여기에 수직으로 고르게 정자장(靜磁場)을 걸면 전류와 정자장에 수직되는 방향으로 전류와 정자장의 크기나 세기에 비례하는 기전력(起電力: E.M.F; electromotive force)이 일어난다.

이 기전력의 크기는 반도체가 제일 크고, 금속이 그 다음이고 절연체는 극히 작다. 기전력이 어느 방향으로 일어나는 가에 의해서 (+) (-) 어떤 전기를 띤 입자가 전류를 흐르게 하는 역할을 하는가를 알 수 있다.

금속에서는 (-)의 전기를 띤 입자, 즉 전자(電子)가 전류를 흐르게 한다는 것을 알았고, 반도체에서는 물질에 따라 또는 같은 물질이라 해도 시료(試料)에 따라 (+) (-) 어떤 전기를 띤 입자도 전류를 흐르게 함을 알게 되었다.

금속처럼 (-)전기를 띤 입자가 전류를 흐르게 할 경우 <n형 반도체>라 하고 (+)전하를 띤 입자가 전류를 흐르게 하는 주된 구실을 맡을 경우 <p형 반도체>라고 부른다.

금속에서 전류를 일어나게 하는 것은 금속 안에 움직이기 쉬운 상태로 있는 전자(電子)의 역할인 데 대하여 <n형 반도체>도 마찬가지이지만 <p형 반도체>에서는 움직이기 어려운 전자의 집단 속에 생긴 <빈 자리 구멍(拔空)>이 전류를 일어나게 하는 역할을 한다. 이 <빈자리 구멍>을 정공(正孔)이라고 한다.

이과같이 전자·정공이 전류를 일으키는 역할을 하는 것이 반도체의 가장 큰 특징이고, 이 특징을 많은 반도체 장치에서 이용하고 있다. 그런데 절연체에서는 전자나 정공(正孔)이 전류를 일으키는 주요 역할을 하는 것이 아니고 이온(ion)이 그 역할을 한다.

◆웹스터 사전(Webster’s New World Dictionary)에서는 다음과 같이 풀이하고 있다.

*Semiconductor- a substance, as germanium or silicon, whose conductivity is poor

at low temperatures but is improved by minute additions as of certain substances

or by the application of heat, light or voltage: used in transistors, rectifiers, etc.

*wafer- a thin piece of a semiconductor on which integrated circuits are formed,

as to create chips. 

김영환 기자 yyy9137@naver.com

<저작권자 © 에너지타임뉴스 무단전재 및 재배포금지>
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