반도체의 기본개념과 역할

 

 

 

 

우리가 살고 있는 시대에서는 반도체의 중요도가 점점 커지고 있습니다. 그렇다면 반도체란 무엇일까요?

반도체의 기본개념과 역할에 대해 알아보겠습니다.

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반도체란?

반도체란 전기를 흘릴 수 있는 능력을 가진 도체와 절연체 사이에 존재하는 물질입니다.

가장 흔한 단일소자 반도채는 Si, Ge 등이 있습니다.

단일소자 반도체들은 4개 가전자들을 가진 원자들로 특성화되는데, 평소에는 거의 전기가 통하지 않지만 빛이나 열 또는 불순불을 가해주면서 전기가 통하게 하거나 전기의 양을 조절해 줄 수 있는 물질입니다.

물질을 세분화해 나가면 원자라는 입자가 되는데, 원자는 양성자와 중성자 그리고 전자로 구성되어 있습니다.

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최외각 전자와 주기율표

최외각 전자와 주기율표에 대해 기본적인 내용을 알고 계신다면 반도체를 이해하기가 더 수월하실 것 같습니다.

최외각 전자에 대해 먼저 알아보겠습니다.

원자핵을 중심으로 일정한 궤도로 전자가 회전하는데 이 중 가장 바깥쪽 궤도를 돌도 있는 전자가 최외각 전자입니다.

최외각 전자들은 궤도 내에 전자 8개를 채워 안정되려는  성질이 있는데, 이러한 성질이 원자와 원자를 결합시키는 원동력이 됩니다.

원자와 원자가 결합되어 분자가 되고, 분자와 분자가 결합해서 물질이 되는 것입니다.

최외각 전자의 개수는 1개에서 8개까지 존재할 수 있는데, 개수가 같은 원자들끼리는 유사한 성질을 갖게 됩니다.

 

다음으로 주기율표입니다.

주기율표는 원자들을 최외각 전자의 개수에 따라 분류해 놓은 표입니다.

주기율표에 따라 원자들은 1족부터 8족으로 구분되며, Si의 경우 최외각 전자가 4개이기 때문에 4족 원소입니다.

참고로 3족 원소는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In)이 대표적이고, 4족은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 5족은 인(P), 비소(As)가 대표적입니다.

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공유결합

최외각 전자와 주기율표를 알아봤으니, 이제 공유결합에 대해 알아보겠습니다.

Si는 4족 원소로 서로 이웃하는 원자가 각각 4개의 최외각 전자를 공유하면서 8개를 채우고 안정화되는 것입니다.

이렇게 이웃하는 전자끼리 굳게 결합하여 결정을 이루게 되는 결합을 공유결합이라고 합니다.

 

이 상태에서 진성반도체, 불순물반도체, P-Type반도체, N-Type반도체로 구분을 할 수 있습니다.

진성반도체는 순수한 Si끼리 결합되어 전자가 움직일 수 없는 상태입니다. 이 경우 외부에서 전압을 걸더라도 전류가 흐르지 않습니다.

불순물반도체는 불순물로 자신의 전기전도도를 조절할 수 있는 반도체입니다.

P-Type반도체는 진성반도체에 주기율표 상 3족인 원소를 소량 넣어주어 정공(Hole)을 만든 상태입니다.

이 경우 전압을 걸어주면 원자들이 서로 안정화되기 위해 전자를 뺏고 뺏기는 활동이 일어나면서 전류가 흐르게 됩니다.

 

N-Type반도체는 진성반도체에 주기율표 상 5족 원소를 넣어주어 잉여전자를 만든 상태입니다.

이 상태에서는 전압을 걸어주면 제자리를 찾지 못한 전자가 자유전자가 되어 전류가 흐르게 됩니다.

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에너지대 (Energy band)

공유결합을 알아보고 반도체를 구분해 봤습니다.

이제 에너지대 (Energy band)에 대해 알아보겠습니다.

전자들은 가전자대에 있다가 충분한 에너지를 얻게 되면 가전자대를 떠나 전도대로 이동하면서 자유전자가 됩니다.

가전자대와 전도대 사이의 에너지를 에너지 갭(Enerfy gap)이라고 하며 이것은 전자가 가전자대에서 전도대로 튀어 올라가기 위해 가져야 하는 에너지 양입니다.

 

절연체, 반도체, 도체를 에너지대를 이용해 설명해 보면 아래와 같습니다.

1. 절연체
Energy gap이 크기 때문에 굉장히 큰 전압을 물질 사이에 공급하여 gap을 파괴하기 전까지는 전자들이 전도대로 올라갈 수 없습니다.

다시 말해 정상적인 조건에서는 전기가 흐르지 못하는 물질입니다.

2. 반도체
절연체보다 Energy gap이 좁기 때문에 이 gap을 통해 가전자들이 전도대로 올라가 자유전자가 될 수 있습니다.

불순물을 첨가하고 열이나 빛을 가해 전기전도성을 증가시킬 수 있습니다.

3. 도체
에너지대가 전도대에 겹쳐있는 경우 항상 많은 수의 자유전자가 있어 전류가 쉽게 흐릅니다.

도체는 쉽게 전기가 흐르는 물질입니다.

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반도체의 역할

전자부터 해서 결합, 에너지대를 통해 반도체란 무엇인지 알아보았습니다.

반도체의 역할은 무엇이 있을까요?

전기신호를 처리하기 위해서는 직류를 교류로, 교류를 직류로 전기신호의 흐름을 정리해 주는 정류작용이 필요한데 Diode가 이러한 역할을 합니다.

Transistor와 같이 약한 전기를 강한 신호로 크게 키우는 증폭작용과 전기신호를 필요에 따라 빚이나 소리 등으로 변환시켜 주는 역할을 합니다.

 

데이터 처리 관점으로는 아날로그 신호를 디지털 신호로, 디지털 신호를 아날로그 신호로 정보의 상태를 전환시키는데 활용합니다.

메모리처럼 정보를 저장하거나 기억하는 역할을 하거나 논리반도체로써 수치를 계산할 수 있으며, 기계나 설비가 정해진 순서에 따라 동작하도록 제어도 할 수 있는 등 다양한 역할을 할 수 있습니다.

지금까지 반도체의 기본개념과 역할에 대해 알아보았습니다. 전자기기가 기하급수적으로 늘어나면서 반도채의 활용도도 기하급수적으로 많아지고 있습니다.

 

한계가 어디일까요? 계속해서 공부해 나가야겠습니다.

 

 

 

 

 

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