과학

반도체 대학원생이 들려주는 반도체 이야기- 0. 그래서 반도체가 뭔데?

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?


21515838552E14AA05.jpg



<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

PHOTOS_ANSWER_2.jpg

<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.


밴드갭 구조.jpg

<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

6361257455164607609622857.png.jpg


<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~










81개의 댓글

2018.08.10
@척척박사
ㄳㄳ
2018.08.10
웨이퍼와 가까울수록 워라밸은 떨어짐
2018.08.10
@무다구치렌야
이말이 진짜 가슴에 와닫는다ㅊㅊ
2018.08.10
어려운걸 쉽게쓰는사람이 정말 잘공부한사람같음 ㅊㅊ
2018.08.10
@미니브이
ㄳㄳ 최고의 칭찬이다ㅠ
2018.08.10
고맙다 회사에서도 이렁건 안알려줘..
반도체 ㅇㄷ
2018.08.10
졸업 준비중인 CS/CE 대학원생은 지나갑니다...

나중에 전자공학으로 박사갈건데 괜춘?
2018.08.11
다음편 빨리 ㄱㄱ
2018.08.11
너도 성대냐?
2018.08.11
흑흑 삼성전자 라인에서 일하던거 생각났어 책임져
2018.08.11
삼성 어카운트에서 외국계 Maker사 재직중인 개붕이입니다. 파트타임 석사 알아보려는데 잘 되어있는곳이 있나용??
2018.08.12
외국에 있는 반도체 장비 관련 회사 다니는데 하 시발 저번달에 한국 출장갔다가 삼성라인 들어갔는데 시발 진짜 삼성애들 다들 빡대가리들밖에 없어서 진짜 개놀랬다 저렇게 모르면서 장비 운용을 어케 하는거지라는 생각밖에 안들더라
2018.08.12
@Reon
업체부르면 해결괴니깐 ㅋㅋ
2018.08.12
@아아오오로
아무리 업체 부르면 해결되는 문제지만 엔드유저부터 시작해서 진짜 너무 기초적인 지식 자체가 없어서 놀랬음
장비메이커도 마찬가지고 선 안꼽아놓고 왜안되냐고 전화가옴
난 텔 에칭장비 만지고있당
2018.08.12
이거 전자회로 이야기도 같이 해야될텐디 졸라 길어질듯; 첨에 반도체가 뭔지 듣고나니 그래서 저거 어떻게 컴퓨터에 써먹냐는 생각 했었음ㅋㅋㅋ 나중에 회로에 대해서 알고나니 그렇구나 했었음.

근다 논리회로 배우고 나서도 저걸로 어케 저런 복잡한 컴퓨터 돌리는지 모르겠더라...컴공애들은 머가리 빠개질듯
2018.08.12
아저씨 반도체 공장가서 일할때 어디가야 백혈병 안걸리나요
안전한 라인이 어디임?
2018.08.12
아저씨 반도체 공장가서 일할때 어디가야 백혈병 안걸리나요
안전한 라인이 어디임?
2018.08.12
@설교쟁이
8대공정말고 or fab관련 업무 말고
2018.08.12
난 웨이퍼 공정용 약 파는 살람이에영 방가방가
2018.08.12
반도체 ㅇㄷ
2018.08.13
나도 반도체 배우고싶었는디 ㅜ
2018.08.13
나도 대학원생인데 이런글 올리는건 밤에 야근하면서 아 집엔 언제 가지.. 하다가 급 심심해졌을때 아닌가
2018.08.15
@메롱헤롱
형님 대학원생에게 야근이 왜 있는건지 궁금합니다
2018.08.13
화공과 나와서 학사 졸업후 취직햇는데 3년차

못다한 공부가 아쉬워서 대학원 준비중이다.

주변 동문들은(해외머 출신임) 한국 대학원은 하도 만류해서 조금 무리해서라도 해외로 준비중인데

어느쪽으로 가는게 좋을까
2018.08.13
전공때 들엇던거네 ㅋㅋ lumo homo하면서 드르렁하면서 그건 기억나더라 valance bond conduction bond ㅋ
흥 나도 아는거야.
대학원생들 좆밥이네.
2018.08.14
연재해라! 노예야!
2018.08.15
다음화...다음ㅎ하가 필요해..!!
2018.08.16
포토쪽 현장에서 일하는 중인데 시발 포토는 진짜 반도체계의 아오지다 손 ㅈㄴ 많이감
번호 제목 글쓴이 추천 수 날짜
공지 [게임] 게임 연재, 게임 정보는 게임 연재 판을 이용 해주시기 바랍니다 91 overflow 5 2017.04.18
공지 [기타 지식] 후기, 리뷰, 감상문은 허용 하지 않습니다 overflow 2 2016.07.29
공지 [기타 지식] 글 작성 금지 항목들 overflow 2 2014.04.06
공지 [기타 지식] 연속적인 글과 제목에 대하여 28 overflow 2 2013.08.11
공지 [기타 지식] 읽을 거리 판 입니다. 44 애드립 2 2012.07.25
1190 [역사] 독립운동가 여운형의 어록 17 U 나헌 19 19 시간 전
1189 [기타 지식] 다자이 오사무의 글 22 나헌 14 3 일 전
1188 [기타 지식] 수학) 복소해석학 지식 없이 "빠르게" 리만 가설 ... 62 U 테플로탁슬 14 4 일 전
1187 [기타 지식] 어른스럽게 컴플레인 하기 51 나눌수없는것 33 6 일 전
1186 [과학] 제약업계에서 천연물 연구 37 스테인레스ㄴㄴ 12 6 일 전
1185 [기타 지식] (스압)패션 브랜드 추천1편 아메카지와 워크웨어 72 하이데거 15 7 일 전
1184 [기타 지식] 피임기구 별 피임성공률에 대한 오해 86 U 14 11 8 일 전
1183 [기타 지식] 조종사가 되려면? #1 72 꼬꼬닭꼬꼬 12 8 일 전
1182 [과학] 방사선피폭과 그에 대한 사회의 공포에 대하여 40 기럭기럭해 17 9 일 전
1181 [기타 지식] [헬조선 특집] 한전이 일회용으로 쓰고 버리는 사람들 13 (・∧‐)ゞ 11 9 일 전
1180 [기타 지식] (스압)2018년도 패션에 대해서 118 하이데거 21 10 일 전
1179 [과학] 혐오주의)페미니즘이 과학에 깝쳤던 사건 15 수학잘하고싶다 23 12 일 전
1178 [기타 지식] 시티즈로 보는 철도 노선분리공식 34 htthetetie 16 13 일 전
1177 [기타 지식] [펌-밀리터리] 시대의 흐름에 태어났고 시대의 흐름에 저물었... 11 Intruder 11 18 일 전
1176 [기타 지식] 수학시리즈)급수시리즈, 모든 자연수의 네제곱의 합 23 수학잘하고싶다 13 18 일 전
1175 [기타 지식] 인기 많은 남자들의 비결. 3부 42 FA13 11 19 일 전
1174 [기타 지식] 일렉과 재즈의 결합, 애시드 재즈에 대하여 26 Tropique 23 20 일 전
1173 [기타 지식] 반도체가 모여 컴퓨터가 되기까지 0편 - 논리회로 41 미친듯한존재감 13 22 일 전
1172 [기타 지식] 인기 많은 남자들의 비결. 2부 52 FA13 10 22 일 전
1171 [기타 지식] 인기 많은 남자들의 비결. 1부 기초편 53 FA13 16 23 일 전
서버에 요청 중입니다. 잠시만 기다려 주십시오...