안녕 개드리퍼들! 나는 반도체 관련 학과에서 박사과정을 밟고있는 대학원 노예야!


이 글을 쓰게 된건, 정작 나도 화공과 출신이라 반도체의 기본에 대해서 약한데 생각보다 반도체의 기본이 흔들리는 사람들이 많더라고!


그래서 나 자신의 공부 겸 개드리퍼들에게 도움이 될까 해서 이 글을 쓰게 되었어.


나는 반도체의 시작부터 기본적인 공정까지 쭉 정리하며 쓸 예정이야. 매일 공부하고 쓰면 좋겠지만 본업(노예업무)도 있고 하니 일주일에 한 번 정도 올리려고.


이 글은 기본적으로 고등학교 화학을 알고있는 대학 학부생을 대상으로 쓰고 있지만, 최대한 쉽게 설명하려고 노력했어.


이 글을 읽고 있는 개드리퍼가 누구든 간에 도움이 되는 글이였음 좋겠어!



그럼 반도체 대학원생이 들려주는 반도체 이야기, 시작합니다.




글 읽기 싫어하는 개드리퍼들을 위한 오늘의 3줄 요약:

1)     반도체는 조건에 따라 전류가 흐르기도 하고 흐르지 않기도 하는 물질이다.

2)     이런 특성은 반도체의 밴드갭이 애매하게 작기 때문에 일어나는 일이다.

3)     컴퓨터의 0/1 (On/Off) 와 맞물려 정보통신에서 필수적인 부품이 되었다.




0. 그래서 반도체가 뭔데? - 반도체란 무엇인가, 그리고 밴드갭이란 무엇인가?


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<반도체 하면 주로 떠오르는 이미지>



우리 모두 일상 생활속에서 반도체라는 단어를 많이 쓰지만 반도체가 무엇인지, 무엇이 달라서 반도체를 그렇게 주목하게 되는지 제대로 알고 있는 사람은 생각보다 드물어. 반도체라는 것의 의미가 생각보다 불분명하거든. 오죽하면 반도체에 대해서 이야기 할 때 나는 제일 먼저 ‘반도체가 뭐에요?’라고 묻곤 해. 이 반도체에 대해 이야기하려면 우선 전기가 흐르는 것이 무엇인지에 대해 이야기해야 돼.


1) 전류는 전자의 일정한 방향으로의 움직임

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<전류와 전자의 움직임간의 관계 (출처: https://onuii.com/QA_detail?qn=454373)>



전기가 흐른다, 즉 전류란 전자의 움직임을 뜻해. 일반적인 상황에서도 전자는 항상 움직이고 있지만, 전자가 움직이는 방향이 무질서하기 때문에 어느 한 쪽이 더 큰 전하값을 갖거나 하는 일은 없어 (화학에서는 순간적인 전하값 차이를 쌍극자 모멘트라고 표현하기도 하는데, 여기서는 무시하도록 하자.) 무질서하게 전자가 움직이는 회로에 전압이 걸리게 되면 (-)를 띄는 전극과 (+)를 띄는 전극이 생기게 되고 전자는 일정한 방향으로 움직이게 돼. 이 전자의 움직임의 반대 방향을 전류의 방향이라 하지. 즉, 전자가 일정한 방향으로 움직여야 전류가 발생하게 되는 거야.


2) 반도체란? - 밴드 구조의 시작

초등학교 때 열심히 과학 수업을 들었던 친구들이라면 도체/부도체(절연체)에 대해서 ‘전기가 통하면 도체, 통하지 않으면 부도체’라고 배웠을 거야. 이건 반은 맞고 반은 틀린 말이야. 엄밀하게 말하자면 ‘도체는 전기전도도가 매우 큰 물질, 부도체는 전기전도도가 매우 작은 물질’이라 표현할 수 있어. 반도체는 도체와 부도체 사이, 전기전도도가 애매한 물질이고.
이와 같이 물질에 따라 전기전도도가 달라지는 이유는 원자 내 전자에 있어. 위에서 언급했듯 전류가 흐르기 위해서는 전자가 움직여야 되고, 이 말은 전류가 흐르는 물질은 원자 간 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 있다는 말과도 동일해. 전자는 원자핵에 의해 붙잡혀 있기 때문에 자유롭게 움직일 수 없지만, 일부 에너지를 받은 전자들이 원자핵의 인력을 깨고 자유롭게 움직일 수 있게 되지. 이 고에너지 전자들은 전압이 가해지면 일정한 방향으로 움직이고 전류가 흐르게 돼.


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<부도체, 반도체, 도체의 밴드갭 구조>


무슨 말인지 이해가 되지 않을거야. 위의 그림을 보면서 이야기를 해보자.
위 그림은 부도체, 반도체, 도체의 ‘밴드 구조’라는 것을 그린 그림이야. 이 밴드 구조에서는 위로 올라갈수록 높은 에너지를 가지고 있음을 뜻해.
밑에 주황색 박스(밸런스 밴드)는 전자가 원자핵에 묶여 있는 영역이고, 위의 비어 있는 박스(컨덕션 밴드)는 전자가 자유롭게 움직이면서 전류를 흐르게 할 수 있는 영역이야. 만약 어떤 물질이 전류가 흐르기 위해서는 밸런스 밴드에 있던 전자가 에너지를 받아 컨덕션 밴드로 이동하고, 이 전자가 회로를 따라 움직임으로서 전류가 흐르게 되는 거지.
오른쪽 도체의 경우에는 이미 밸런스 밴드(전자가 기본적으로 가지고 있는 에너지) 영역과 컨덕션 밴드(전자가 움직여 전류가 흐르게 하기 위한 에너지) 영역이 겹쳐있어. 즉, 도체는 별도로 에너지를 주지 않더라도 이미 전자가 자유롭게 움직일 수 있어서 전기전도도가 매우 높다는 거지. 주변에 금속 물질들이 전기가 잘 통하는 것만 봐도 납득할 수 있어.
왼쪽 부도체의 경우는 밸런스 밴드와 컨덕션 밴드간 간격, 밴드갭이 상당히 커. 부도체 물질이라고 전류가 흐르지 않는 것은 아니지만, 전류가 흐르기 위해서는 밸런스 밴드와 컨덕션 밴드 사이 간격인 밴드갭 이상의 에너지를 주어야만 전류가 흐를 수 있다는 거지. 우리가 항상 이야기하는 절연 물질들이 이와 같이 밴드갭이 큰 물질이야.
그러면 우리가 이야기하고자 하는 반도체는 어떨까? 반도체는 애매한 크기 (실리콘의 경우 약 1.2 eV) 의 밴드갭을 가지고 있어. 그렇기 때문에 마찬가지로 애매한 전기전도도를 가지고 있지. 반도체 물질이나 나중에 언급할 도핑 등으로 전기전도도를 조절할 수 있지만, 전기회로나 절연 물질로도 쓰기 애매한 전기전도도를 가지고 있어.



3) 반도체는 왜 쓰는가? - 컴퓨터와 반도체의 관계

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<반도체의 핵심 물질인 실리콘의 원료. 돌덩이에 불과하다.>


그럼 이렇게 애매한 전기전도도를 가진 반도체 물질을 대체 왜 쓰는 걸까? 실리콘의 원료가 되는 규소는 지각에서 무게로 27.7%를 차지하고 있는 물질로, 모래나 돌덩이가 이 규소로 만들어진 물질이야. 1900년대까지만 해도 아예 관심도 없던 이 규소를 왜 갑자기 반도체 물질로 쓰기 시작한 걸까?
그 이유는 바로 컴퓨터의 발명에 있어. 너희들도 알다시피 컴퓨터는 0과 1, On 과 Off 를 이용하여 연산을 진행해. 그렇기 때문에 이전에는 전기가 흐르는 도체나 아예 막아주는 부도체와는 달리, 조건에 따라 전류가 흘렀다 멈췄다 하는 물질이 필요하게 된거지. 이에 전기전도도 조절이 가능할 뿐만 아니라 조그마한 전압 차이에도 전류가 흘렀다 멈췄다 조절할 수 있는 반도체 물질이 각광받게 되었고, 지금과 같이 반도체 시장이 폭발적으로 성장하게 된거지. 즉, 반도체 물질의

1) 전류가 흐르지 않다가도 조금만 전압을 가하면 전류가 흐르기 시작함

2) 전기전도도 조절이 가능해 원하는 정도의 전류를 흐르게 할 수 있음

이 두 가지 특성이 반도체가 정보통신산업의 핵심 소재가 될 수 있게 해 준 거지.

그럼 대체, 어떻게 전기전도도 조절이 가능하고, 이를 어떻게 활용했기에 전원을 자유자제로 On/Off 를 할 수 있는 걸까?!


이는 다음 시간에 알아보자 :)








처음 쓰는 글이라 익숙치도 않고, 워드에 작성했다가 옮겨적어서 양식도 중간에 조금씩 바뀌었네. 점점 더 발전할 거라 생각하고 봐줬으면 해!!


우선 앞으로 쓸 글의 목차는 다음과 같아.


1. 전기전도도 조절 - 도핑

2. 반도체 소자의 기본 - FET

3. LED 의 원리는?

4. 각 공정간의 설명


혹시 이 글을 읽으면서 궁금한 점이나, 앞으로 다뤄주었음 하는 사항에 대해서도 말해줬음 좋겠어!!


그럼 대학원생은 이만 들어가볼게. 모두들 안녕~