반도체와 실리콘(Si)

한빛미디어의 "현대 반도체 소자 공학" 내용을 바탕으로 작성하였습니다. 

 

 

1. 반도체의 정의

흔히 반도체라고하면 메모리 반도체, 시스템 반도체, MOSFET, IGBT 등 다양한 개념이 떠오릅니다.

반도체의 사전적 정의란 '전기전도도가 도체와 부도체의 중간정도 되는 물질' 을 의미한다. 순수한 상태에서는 부도체처럼 전기가 통하지 않지만 빛이나 열의 자극이 가해지면 도체처럼 전기가 흐르는 물질이 반도체인 것입니다. 그러나 반도체가 도체와 부도체의 중간정도의 전기전도도를 가진 이상 자극을 가한다 해도 도체만큼의 전기가 흐르지는 못하고 자극을 끊었을 때도 부도체 만큼 전류가 확실하게 끊기진 않는 한계를 가집니다. 

 

위에서 언급한 MOSFET은 반도체가 아닌 정확히는 '반도체 소자' 라고 불립니다. 반도체 물질에 이짓저짓을 해서 자극에 따른 효과적인 전기전도도를 가지는 소자의 일종입니다. 

 

지금부터 반도체 물질의 개념부터 반도체 소자의 동작원리와 그에 따라 생기는 여러 이슈들까지의 내용들을 리뷰해보겠습니다. 

 

 

2. 실리콘의 결정구조

반도체로 가장 많이 사용되는 물질은 단연 실리콘(Si)입니다. Si은 4족 원소로 원자가 전자(최외각 전자)가 4개이므로 가까운 Si원자 4개와 전자를 서로 공유합니다. 

Si 의 격자 구조 [출처] 현대 반도체 소자 공학

 

이러한 Si의 격자구조를 2차원 그림으로 나타내면 아래와 같아집니다. 

 

Si은 이웃한 4개의 Si원자들과 전자를 공유하며 안정적인 상태를 유지하고 있습니다. 하지만 우리는 상식적으로 상온에 원자들은 가만히 있지 않고 진동함을 알고있습니다. 위 그림처럼 자유전자가 하나도 없는 상태는 절대온도 0도에서만 가능하고 일반적인 환경에서는 에너지를 받고 자유전자가 된 일부 전자들이 Si원자의 영향력에서 벗어나 돌아다닙니다.

 

 

 

 

3. 전자와 정공

전자: 공유 결합을 깨고 자유롭게 된 전자를 '전도전자' 라고 하고 전도전자는 결정 내부를 자유롭게 돌아다니며 전류를 운반할 수 있습니다. 즉 전류의 주체는 결합된 전자들이 아닌 전도 전자들인 것입니다.

 

정공: 결합을 깨고 전자가 나간 빈자리를, 비어있는 공간을 정공(hole)이라고 합니다. 아무것도 없으면 그냥 없다고만 하면 되지 왜 hole이란 개념까지 굳이 갖다붙인 이유는 hole 또한 전류를 발생시키는 주체로 보기 때문입니다. 전자를 잃고 빈자리가 된 hole은 전자에 비해 상대적으로 양전압을 가지고 가전자대의 전자를 끌어들여 쉽게 받아들입니다. 이러한 움직임을 음전하를 갖고 반대 방향으로 움직이는 전자의 흐름으로 보기보다는, 양전하를 가진 정공(빈자리)의 움직임으로 보는 것이 더 직관적으로 이해하기 쉽습니다.