지난 호에 p형 반도체n형 반도체를 한 면에서 접촉해 다이오드(pn 접합다이오드)를 만들어 보았습니다. 생각보다 복잡하고 이해하기 까다로웠을 것입니다. 다시 한 번 정리하자면, p형 반도체 쪽에 +전압이, n형 반도체 쪽에 –전압이 걸리면 순방향 바이어스가 되어 전류가 흐르지만, 반대로 전압이 걸리면 역방향 바이어스가 되어 전류가 흐르지 않는데, 이를 설명하기 위해 각 반도체 영역의 다수 캐리어와 소수 캐리어의 거동에 대해 지난 호에 설명했습니다. 이러한 pn 접합다이오드의 대략적인 모식도와 기호는 아래 그림과 같습니다.


▲ pn 접합다이오드 ⓒ백종식


이번 호에는 한 발 더 나가서, 그렇게 만들어진 다이오드 2개를 붙여 pnp(또는 npn) 접합트랜지스터를 만들어 보려고 합니다. 지난 호의 내용이 아직도 이해가 되지 않았다면 다시 돌아가 정독해 주세요. 이번 호의 내용을 이해하기 위해서 꼭 필요하답니다.


pnp 접합트랜지스터의 대략적인 모식도와 기호는 아래 그림과 같습니다. 접합다이오드에서와는 달리 반도체 영역이 3개 있습니다. 이미터, 베이스, 그리고 컬렉터입니다. (혹시 위의 다이오드 모식도와 아래 트랜지스터의 모식도가 똑같이 세 개의 영역으로 나누어져 있다고 혼동하는 독자가 있을지도 모르겠네요. 위의 다이오드 모식도에서 가운데 있는 영역은 공핍층을 나타낸 것이고, 아래의 트랜지스터 모식도에서 가운데 있는 영역은 반도체입니다. 엄밀히 그리자면 아래의 트랜지스터 모식도에서 B-E접합면과 B-C접합면에 공핍층이 있어야 합니다만, 트랜지스터에서는 모식도를 단순하게 나타내기 위해 공핍층을 그려 넣지 않았으니 혼동하지 마세요!)


▲ pnp 접합트랜지스터 ⓒ백종식


npn 접합트랜지스터의 모식도와 기호는 아래와 같습니다. 기호를 보면 이미터의 화살표가 반대로 되어있는 것만 다르고 똑같이 생겼네요.


▲ npn 접합트랜지스터 ⓒ백종식


자, 그럼 이러한 접합트랜지스터가 어떻게 작동하게 되는지 간단히 살펴볼까요? npn 접합트랜지스터와 pnp 접합트랜지스터의 작동방식은 비슷하므로 npn 접합트랜지스터의 작동방식만 살펴보기로 하겠습니다. 이미터 쪽에 순방향 bias를 걸어주고 (이미터의 n 쪽에 음의 전압을 베이스의 p 쪽에 양의 전압을 걸어주는 것) 컬렉터 쪽에 역방향 bias를 걸어주면 (컬렉터의 n 쪽에 양의 전압을, 베이스의 p 쪽에 음의 전압을 걸어주는 것) 작동하게 됩니다.


이해가 잘 안 된다고요? 그럼 하나씩 뜯어서 살펴봅시다. 이미터와 베이스 사이에 순방향 bias를 걸어주면 이미터에서 베이스 쪽으로 전자(이미터 반도체 내의 다수 캐리어)가 주입되고 베이스에서 이미터 쪽으로 정공(베이스 반도체 내의 다수 캐리어)이 주입됩니다. 한 가지 중요한 점은, 일반적으로 이미터 쪽의 불순물 도핑 양이 베이스 쪽의 불순물 도핑 양보다 훨씬 많으므로 이미터에서 베이스 쪽으로 주입되는 전자의 양이 베이스에서 이미터 쪽으로 주입되는 정공의 양보다 훨씬 많음에 유의하세요.


전자와 정공이 만나면 재결합하게 되는데, 전자의 양이 정공의 양보다 훨씬 많아서 대부분의 전자는 재결합하지 않은 채 컬렉터 쪽으로 넘어가 컬렉터 전류를 이룹니다. 베이스 반도체 영역은 일반적으로 작게 만듭니다. 그 이유는, 전자와 정공의 재결합 가능성을 낮추어 더 많은 수의 전자가 이미터에서 컬렉터 쪽으로 살아서 갈 수 있도록 해주기 위함입니다.


이제 컬렉터와 베이스 간의 bias를 살펴볼까요? 컬렉터와 베이스간에 역방향 bias를 걸어주면(컬렉터의 n 쪽에 양의 전압을, 베이스의 p 쪽에 음의 전압을 걸어주는 것을 말합니다) 베이스 영역을 살아서 통과한 전자가 양의 전압에 의해 이끌려 컬렉터 영역을 무사히 통과하게 되어 컬렉터 전류를 이루게 됩니다.


▲ pnp 접합 ⓒ백종식


이번에는 다른 시각으로 한 번 살펴보겠습니다.


일반적으로 이미터 쪽의 도핑은 컬렉터에 비해 높습니다. 베이스 영역을 빼고 생각해 본다면 이미터에서 컬렉터 쪽으로 전자 농도의 차이가 있으므로 전자의 흐름이 있어서 전류가 흘러야 합니다. 하지만 가운데 베이스가 끼어 전위장벽을 형성하므로 전자가 이동할 수 없어서 평상시에는 전류의 흐름이 없습니다. 베이스의 전위장벽을 낮춰주면 비로소 이미터에서 컬렉터 쪽으로 흐르게 되겠군요. 전위장벽이 낮아질수록 전자의 흐름이 더 수월해지겠네요.


즉, 이미터에서 컬렉터 쪽으로 흐르는 전자의 양, 다른 의미로 컬렉터에서 이미터 쪽으로 흐르는 전류의 양이 베이스 영역의 전위장벽에 의해서 조절됩니다. 베이스 영역의 전위장벽은 베이스 전류에 의해서 조절됩니다. 결론적으로, 컬렉터에서 이미터로 흐르는 전류의 양은 베이스 전류에 의해서 조절된다고 할 수 있겠습니다. 그런데, 베이스 전류는 일반적으로 매우 낮습니다.


다시 말해, ‘매우 낮은 베이스 전류를 가지고 컬렉터와 이미터 간의 전류를 조절한다’는 것인데, 다른 시각으로 보면 ‘베이스 전류의 작은 변화가 컬렉터와 이미터 간의 전류를 크게 변화시킨다’는 것으로 이해할 수 있습니다. 이것을 우리는 전류증폭이라고 부릅니다. (베이스 전류의 작은 변화를 입력으로 주면 컬렉터와 이미터 간의 큰 전류 변화가 출력으로 나타난다는 것이지요) 이것을 접합트랜지스터의 활성모드라고 부릅니다. (다음 호에 계속)


▲ npn BJT의 작동원리 ⓒ백종식



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(지난 호에서 이어집니다) 정공이 다수캐리어인 p형 반도체(흰 점으로 표시된 것이 정공입니다)와 전자가 다수캐리어인 n형 반도체(검정 점으로 표시된 것이 전자입니다)가 한 면에서 만났습니다. 만나기 전에는 각각의 다수캐리어들은 균일하게 분포하여 있었습니다. 물론 이온화된 도너 또는 억셉터도 균일하게 분포하여 있으며, 각각의 반도체는 전기적으로 중성인 상태입니다. (p형 반도체에서는 음이온과 정공의 수가 같고, n형 반도체에서는 양이온과 전자의 수가 같으므로 전기적으로는 중성입니다) 그러다가 한 면에서 두 반도체가 만나면 접합면 부근의 정공(p형 반도체의 다수캐리어)과 전자(n형 반도체의 다수캐리어)가 서로 끌려 오다가 만나겠지요. (이때, 이온화된 도너나 억셉터는 움직이지 않고 고정되어 있음에 유의하세요)


ⓒ백종식


정공과 전자가 만나면 어떻게 될까요? 그냥 없어집니다. (정공은 전자의 빈자리이므로 전자를 만나면 빈자리가 채워지는 셈이므로 아무것도 남지 않겠지요) 이것을 전자와 정공의 재결합이라고 부릅니다. 전자와 정공의 재결합이 일어나면 재미있는 현상이 벌어지게 됩니다. 차근차근 이해해 보도록 합시다.


전자와 정공은 혼자서 저절로 생겨난 것이 아니라, 반드시 그 자리에 양이온과 음이온을 생성한다고 했지요. (n형 반도체는 도너를 이온화시키면서 전자가 전도대로 올라가는 것임을 기억하세요, p형 반도체는 억셉터를 이온화시키면서 정공이 가전자대에 생성되는 것이고요) 전자와 정공이 재결합한 자리에는 음이온(p형 반도체)과 양이온(n형 반도체)만 남게 됩니다.

접합이 이루어지기 전에는 각 반도체 내에는 다수캐리어와 불순물(도너 또는 억셉터) 이온이 같은 수로 있어 전기적으로 중성이었는데, 접합이 이루어진 후에는 접합면 부근 다수캐리어들이 재결합을 이루며 소멸하여, 그 부분에는 이온들만 존재하게 되므로 전기적 중성이 깨지게 됩니다. 이렇게 다수캐리어들이 재결합으로 소멸한 접합면 부근의 영역을 공핍층(depletion layer, 다수캐리어가 없어졌으므로)이라고 부르고, 결과적으로 전기적 중성이 깨져서 전하를 띠게 되므로 공간전하영역(space charge layer)이라고도 부릅니다.


각각의 반도체 영역에서 다수캐리어들이 모두 접합면으로 끌려와 재결합하면서 소멸해버리면 전류가 흐를 수 없는 부도체가 되어버리겠다는 걱정이 안 드나요? 걱정하지 마세요. 다행스럽게도 pn접합을 하면서 생성된 공핍층이 그런 일이 일어나지 않도록 막는 장치니까요. 전자와 정공이 재결합하면서 소멸(공핍층이 생기고)하고 이온(p형 반도체 쪽에는 음이온, n형 반도체 쪽에는 양이온)들만 남아서 p형 반도체 쪽에 ‘–‘ 전기를, n형 반도체 쪽에는 ‘+’ 전기를 띠게 되므로 공핍층 내에 전위(potential)가 형성됩니다.

이 전위는 n형 반도체 내의 전자가 p형 반도체 쪽으로 접근하는 것을 막아 평형을 이루게 됩니다. (p형 반도체 쪽에 생겨난 ‘–‘ 전기가 전자의 접근을 막지요) 마찬가지로, p형 반도체 내에 있던 정공들도 이 전위로 인해 더 n형 반도체 쪽으로 접근할 수 없게 됩니다. (n형 반도체 쪽에 생겨난 ‘+’ 전기가 정공이 접근하지 못하도록 밀어내지요) 이렇게 공핍층 내 이온으로 인해 생겨난 전위로 다수캐리어들이 더 끌려올 수 없도록 전위장벽이 생기는데, 이를 접촉전위(contact potential)라고 부르며 실리콘 pn접합일 때 접촉전위의 크기는 대략 0.6~0.7V 정도 됩니다.


이렇게 p형 반도체와 n형 반도체를 한 면에 접촉해 놓은 것이 반도체 소자의 가장 기본인 다이오드입니다. 축하합니다! 기본적인 반도체 물리학을 이해하게 되었고, 드디어 반도체 소자로 넘어가도록 하겠습니다.


ⓒ백종식


위의 다이오드에 전압을 걸어주면 어떻게 될지 살펴봅시다. 먼저 전압을 걸어주기 전을 생각해 봅시다. 물이 담긴 대야의 한 부분에 잉크를 한 방울 떨어뜨리면 어떻게 될까요? 잉크는 떨어진 지점으로부터 번져나가 결국 대야 전체에 균일하게 섞이게 될 테지요. 이것을 확산이라고 부릅니다. 농도가 높은 곳으로부터 낮은 곳으로 물질이 이동하여 결국 농도의 차이가 없도록 균일하게 섞이게 되는 것이지요.

그럼, 위의 p형 반도체와 n형 반도체에서는 확산 현상에 대해서 어떻게 생각해야 할까요? 즉, 전압을 걸어주지 않아도 확산으로 정공이 많은 p형 반도체 쪽에서 n형 반도체 쪽으로 이동함으로써 (전자가 많은 n형 반도체 쪽에서 p형 반도체 쪽으로 이동함으로써) 전류가 흘러야 하지 않을까요? 정답은 “No!”입니다.

물론 처음에는 각 다수캐리어의 농도 차이로 확산이 일어나 전자와 정공의 재결합이 일어나지요. 그러면서 공핍층이 생겨나고 전위장벽(접촉전위)이 발생해 그 이상의 확산을 막습니다. 즉, 농 차로 인해 각 다수캐리어들이 확산하려고 하는 경향과 전위장벽이 평형(줄다리기를 생각해 봅시다. 힘의 크기가 같아서 이쪽으로도 저쪽으로도 움직이지 못하는 상태를 ‘평형상태’라고 말하지요)을 이루어 캐리어들이 움직이지 못합니다. 즉, 다이오드에 전압을 걸어주기 전에는 전류가 흐르지 않습니다.


이제 다이오드에 전압을 걸어주는 경우를 두 가지로 나누어 생각해 봅시다. 먼저, p형 반도체 쪽에 ‘+’ 단자를, n형 반도체 쪽에 ‘–‘ 단자를 연결하게 되면 이것을 순방향 바이어스(forward bias)를 걸어준다고 표현합니다.

정공과 전자가 신이 났습니다. 전위장벽 때문에 꼼짝 못 하고 있다가 순방향으로 전압을 걸어주면(순방향 바이어스) p형 반도체 내에 있던 정공들은 접합면을 넘어 ‘–‘ 전압이 걸려있는 n형 반도체 쪽으로 달려가고 n형 반도체 내에 있던 전자들은 접합면을 넘어 ‘+’ 전압이 걸려있는 p형 반도체 쪽으로 달려갑니다. 접합면을 지나 n형 반도체 쪽으로 들어간 정공은 소수캐리어(n형 반도체의 다수캐리어는 전자이므로 정공은 소수캐리어가 되는 것을 상기하세요)가 되고, 접합면을 지나 p형 반도체 쪽으로 들어간 전자 역시 소수캐리어(p형 반도체의 다수캐리어는 정공이므로 전자는 소수캐리어가 되겠지요)가 되어 전류를 흐르게 합니다. 이 전류를 소수캐리어에 의한 전류라고 부릅니다.

다이오드에 흐르는 전류는 소수캐리어로 작용하는 정공과 전자에 의한 전류의 합이 됩니다. 외부에서 전압이 계속 유지되는 동안은 전원으로부터 캐리어들이 계속 공급되는 셈이므로, 위의 현상이 계속 일어나게 되겠지요. 한 가지 더 생각해 본다면, 걸어주는 전압은 최소한 전위장벽보다는 커야 다수캐리어들이 전위장벽을 넘어 상대편 반도체 쪽으로 넘어갈 것입니다.


ⓒ백종식


이제, p형 반도체 쪽에 ‘-‘ 단자를, n형 반도체 쪽에 ‘+’ 단자를 연결하는 경우를 생각해봅시다. 이것은 역방향 바이어스(reverse bias)를 걸어준다고 표현합니다. 전자는 ‘+’ 단자 쪽으로 끌리고, 정공은 ‘–‘ 단자 쪽으로 끌리게 되는데, ‘+’ 단자는 n형 반도체 쪽에, ‘-‘ 단자는 p형 반도체 쪽에 연결되어 있으므로 전자는 n형 반도체 쪽으로, 정공은 p형 반도체 쪽으로 끌리게 되는 셈입니다.

즉, 각 반도체의 다수캐리어들이 접합면으로부터 더 멀어지게 됩니다. 다수캐리어가 접합면으로부터 멀어지면, 그 영역에는 도너 또는 억셉터의 이온만 남게 되므로 결국 공핍층이 더 커지고 (공간전하영역이 확대되겠지요) 전위장벽은 더 높아지게 됩니다. 즉, 다수캐리어는 접합면을 넘어 상대편 반도체 쪽으로 넘어가지 못하므로 다수캐리어에 의한 전류는 흐르지 못합니다.

그러나 소수캐리어에 의한 전류를 고려해야 합니다. p형 반도체 내부에는 적은 양의 전자(소수캐리어)가 존재하고 n형 반도체 내부에도 적은 양의 정공(소수캐리어)이 존재합니다. 이들은 도너와 억셉터에 의해서 생겨난 것이 아니라 실리콘 자체에서 발생한 것들인데 (진성반도체의 경우 상온에서 실리콘 내의 일부 전자가 열에너지를 얻어 전도대로 올라가면서 가전자대에 정공을 남긴다는 것을 기억하세요) 상온에서 이들의 양은 극히 적습니다. P형 반도체 내에 있는 전자(소수캐리어)는 역방향 바이어스에 의해 p형 반도체 쪽으로부터 n형 반도체 쪽으로 접합면을 통과하여 흐르고 n형 반도체 내에 있는 소수캐리어로서의 정공 역시, n형 반도체 쪽으로부터 p형 반도체 쪽으로 접합면을 통과하여 흐르므로 소수캐리어에 의한 전류가 흐르게 되는데, 이 전류를 역포화전류(reverse saturation current)라고 부릅니다.

소수캐리어의 양이 극히 적으므로 역포화전류는 무시할 수 있습니다. 결론적으로 순방향 바이어스를 걸어주면 다이오드에 전류가 흐르고, 역방향 바이어스를 걸어주면 다이오드에 전류가 흐르지 않는 것으로 이해하면 됩니다.


ⓒ백종식


다이오드의 전기적 특성은 물의 흐름으로 생각하면 쉽겠네요. 물이 한 방향으로는 흐를 수 있고 반대 방향으로는 흐를 수 없도록 만들어진 특수한 파이프를 생각해봅시다. 파이프 내부에는 물의 흐름을 제어할 수 있는 판이 장치되어 있는데, 이 판은 앞 뒤로 움직일 수 있게 되어있으며 스프링에 연결되어있습니다.

파이프의 아래쪽 벽에는 스토퍼가 장치되어 있어서 판이 한쪽으로는 열릴 수 있지만 반대쪽으로는 열릴 수 없도록 했습니다. 물이 흐르지 않을 때는 스프링에 의해 판이 잡아 당겨져 파이프가 막히게 됩니다. 물을 오른쪽에서 왼쪽으로 흐르게 해볼까요? 수압이 왼쪽으로 걸리지만 판이 스토퍼에 걸려서 파이프가 여전히 막혀 있으므로, 물이 흐를 수 없습니다.

그럼 반대 방향으로 물을 흐르게 해 볼까요? 반대 방향으로 수압이 걸리면, 판이 열리면서 (스프링이 늘어났군요) 물이 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르게 됩니다. 여기서 한 가지 알아야 할 것이 있습니다. 수압이 스프링의 힘보다 커야 판이 열리고, 작으면 판이 열리지 않으므로 물이 흐를 수 없다는 것입니다. 수압은 걸어준 전압으로, 수압의 방향은 바이어스의 방향으로, 물의 흐름은 전류로, 스프링의 힘을 전위장벽으로 이해하면 되겠네요!


ⓒ백종식



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  1. 대학생 2017.03.08 19:57 신고 Address Modify/Delete Reply

    너무 이해 잘됩니다. 제가 본글 가운데서 최고입니다.!!!


자, 지난 호에 이어 이번 달에는 반도체가 있는 교실 속 불순물 반으로 다시 들어가 보겠습니다.


ⓒ백종식


불순물 반불순물 반도체입니다. ‘정규학생’은 ‘실리콘’으로 ‘청강생’은 ‘불순물’로 이해를 하면 되겠습니다. 청강생은 학교의 정규학생이 아니므로 선생님을 덜 무서워하는군요.


먼저 P(인) 같은 5족 불순물이 실리콘에 첨가된 N형 반도체를 살펴보도록 하겠습니다. P는 5개의 최외각전자를 가지고 있어서 4개는 실리콘과 공유결합을 이루기 위해 속박되어 있고, 남은 1개가 약하게 붙들려 있다가 약간의 에너지만 공급해줘도 쉽게 떨어져 나가 자유전자처럼 활동합니다. (600원을 가지고 있는 철수를 생각하세요) 이를 밴드 구조로 설명하면 아래 그림과 같습니다.


ⓒ백종식


왼쪽 그림에서, 온도가 0K일 때 여분의 전자는 P에 약하게 구속되어 있는데, 그 결합력은 위 그림에서 Ec와 Ed의 차이만큼(왼쪽 그림)입니다. 오른쪽 그림에서, 온도가 올라가면(온도>0K) 열에너지에 의해 여분의 에너지가 P의 구속으로부터 해방되어 자유전자처럼 떠돌게 되고, (전자가 전도대 위로 올라간 것으로 이해하면 됩니다) P원자는 전자를 잃었으므로 + 전기를 띤 양이온이 됩니다. P원자는 전도대에 전자를 공급한다고 해서 도너(전자를 제공한다고 해서 donor라고 부릅니다)라고 불립니다. 또한, P원자 내의 여분의 전자는 Ec 근처에 에너지 준위를 형성하는데, 이를 도너레벨(donor level)이라고 부릅니다. 위 그림에서 보면 Ed로 표시되어 있습니다.


이제 B(붕소) 같은 3족 불순물이 실리콘에 첨가된 P형 반도체를 살펴볼까요? B는 3개의 최외각전자를 가지고 있어서 실리콘과 4개의 공유결합을 이루는데 하나의 전자가 부족합니다. 하나가 부족하다는 것은 하나가 남는 것의 반대 개념으로 생각할 수 있습니다. 이렇게 전자가 하나 부족한 것은 Ev의 바로 위에 억셉터준위(acceptor level)를 점유하며 열에너지에 의해 가전자대 속에 있는 전자를 하나 받아(공유결합을 충족시키기 위해 실리콘으로부터 여분의 전자를 받아들일 수 있다고 해서 억셉터라고 부르게 되었습니다) - 전기를 띈 음이온이 되고 가전자대에 정공을 생성하게 됩니다. 이때 정공은 전자의 빈자리이므로 다른 실리콘 원자로부터 전자를 받아 채우려고 합니다. 이런 식으로 빈자리, 즉 정공은 움직일 수 있게 되며 정공이 움직인다는 것은 사실은 전자가 움직이는 것이므로 전류가 흐르게 됩니다.


ⓒ백종식


한 가지 재미있는 점이 있습니다. P원자 내의 전자가 원자핵에 결합된 에너지의 크기가 상황에 따라 다르다는 것이지요. P가 고립된 원자로 존재할 경우 5개의 최외각전자는 원자핵으로부터 대략 1옹스트롬(옹스트롬은 거리 단위로, 1옹스트롬은 만분의 일 마이크로미터입니다)의 거리를 두고 수eV의 에너지로 원자핵에 속박되어 있습니다. 그런데 이 P원자가 실리콘 내에 불순물로 존재하면 5개의 최외각전자 중 4개의 전자는 실리콘 원자와 공유결합을 이루고, 남은 하나의 전자는 원자핵으로부터 대략 15옹스트롬의 거리를 두고 약 0.05eV의 약한 에너지로 속박되어 있어, 약간의 열에너지만 공급해도 원자핵의 속박을 끊고 자유전자처럼 거동하게 됩니다. 이렇게 실리콘에 불순물 원자를 넣어 줌으로써 쉽게 자유전자(또는 정공)를 얻을 수 있는 원리를 이용한 것이 바로 불순물 반도체입니다.


전도대 내에 있는 전자와 가전자대 내에 있는 정공을 반도체의 캐리어라고 부르며, 반도체의 전도성(전류를 얼마나 잘 흐르게 하느냐 하는 성질)은 캐리어의 농도에 따라 결정됩니다. 캐리어는 열에너지에 의해 생성된 자유전자(전도대에 존재)와 정공(가전자대에 존재)의 쌍, 그리고 불순물의 이온화에 의해 생성된 전자(N형 반도체, 전자가 전도대로 올라가고 불순물은 양이온이 됩니다)와 정공(P형 반도체, 불순물이 실리콘으로부터 전자를 받아 음이온이 되고 가전자대에 정공이 생깁니다)으로 이루어집니다.


진성 반도체에서 생성되는 캐리어(자유전자와 정공의 쌍)는 열에너지에 의해서 생성되므로 캐리어의 농도가 온도에 의존합니다. 즉, 온도가 높아질수록 열에너지가 높아지므로 캐리어의 농도가 높아집니다. 불순물 반도체에서의 캐리어는 열에너지에 의해 생성된 자유전자와 정공의 쌍, 그리고 불순물의 이온화에 의해 생성된 전자 또는 정공으로 이루어지며, 캐리어의 농도는 온도보다는 주입되는 불순물의 양에 주로 의존합니다(공급된 불순물은 도너레벨과 억셉터레벨이 전도대나 가전자대 근처에 있으므로 실온에서 모두 이온화되어 공급된 불순물의 양만큼 캐리어가 생성되는 것으로 이해하면 되겠습니다).


불순물 반도체에서 열에너지에 의해 생성된 자유전자와 정공의 쌍은 그 수가 많지 않으므로 소수 캐리어라고 부르며, 불순물의 이온화에 의해 생성된 전자 또는 정공은 그 수가 훨씬 많으므로 다수 캐리어라고 부릅니다. 즉, 불순물 반도체의 전기전도성은 다수 캐리어의 농도에 의해 결정되므로 얼마나 많은 불순물을 어떻게 주입해 주느냐 하는 것이 중요합니다. 이렇게 실리콘에 불순물을 주입하는 것을 도핑이라고 부르는데, 도핑 방법에 대해서는 다음에 다뤄보겠습니다. 위에 설명한 대로, 소수 캐리어만 생성할 수 있는 진성 반도체는 널리 사용되지 않고, 다수 캐리어를 쉽게 생성할 수 있는 불순물 반도체가 산업계에서 널리 쓰이고 있습니다.


그렇습니다. 눈치를 챘겠지만, N형 반도체에서는 자유전자가 다수 캐리어고 소량의 정공이 소수 캐리어이며, P형 반도체에서는 정공이 다수 캐리어고 소량의 전자가 소수 캐리어가 됩니다. 한 가지 더 욕심을 내서 설명한다면, 자유전자가 정공보다 움직임이 더 쉽습니다. 전문용어로는 자유전자가 정공보다 이동도가 크다고 표현합니다. ‘복도를 자유롭게 돌아다니는 학생’을 자유전자로, ‘그 학생 때문에 생겨난 교실 내의 빈 의자’를 정공으로 생각해 봅시다. 복도에 있는 학생은 자기가 움직이고 싶은 대로 움직일 수 있지만, 빈 의자의 움직임은 어떤가요? 먼저 어떤 학생이 빈 의자를 발견해야 하고 그 학생이 자기 의자를 비우고 그 의자에 앉는 방식으로 움직임이 발생합니다.


위의 세 가지 반도체(진성 반도체, N형 반도체, P형 반도체)의 밴드 구조가 이해되는지요? 이 구조가 이해가 되어야 다음 호에 소개할 P-N접합을 이해할 수 있으니 어렵더라도 꼼꼼히 읽어 보시기 바랍니다. 파이팅!



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자, 그럼 지난 호에 이어 흙을 퍼서 어떻게 장사하는지 들여다볼까요?


원재료인 모래(규사)는 고온 정제과정을 거쳐 규소라는 물질로 추출하게 됩니다. 원재료에 함유되어 있던 철, 니켈, 코발트 등 불순물을 제거하여 고순도의 규소로 정제하는 방법은 몇 가지 있습니다만, 예전에 주로 사용하던 방법을 간단히 설명하겠습니다.


어렸을 적에 얼음과자(일명 쭈쭈바)를 먹다 보면 처음에는 참 달고 맛있다가 마지막에 남은 얼음은 맹물처럼 싱겁고 향도 안 나서 버리곤 했었습니다. 왜 그런 걸까요? 그 비밀은, 설탕과 향료가 얼음과 물에 녹아 들어갈 수 있는 양이 다르기 때문입니다. (전문적인 용어로 ‘용해도가 다르다’고 합니다.) 일반적으로 설탕은 얼음보다 물에 훨씬 많이 녹아 들어갈 수 있습니다.


얼음과자를 막 만들 때에는 당연히 설탕 농도가 균일합니다. 하지만 얼음과자는 입과 손이 닿은 부분부터 녹기 시작하지요. 이때 얼음과자는 두 가지 물질 상태가 공존합니다. 물과 얼음으로 말입니다. 위에 설명한 대로, 설탕은 얼음 속보다 물속에 더 많이 녹아 들어갈 수 있습니다. 따라서 얼음 속에 있던 설탕들이 먼저 녹은 물속으로 이동을 하지요.


따라서 처음에 녹은 물속에는 얼음과자가 처음 만들어졌을 때보다 많은 양의 설탕을 갖게 되므로 달달하고 좋습니다. 계속해서 얼음이 녹아 물로 변하면서 얼음 속의 설탕도 계속해서 물속으로 녹아 들어갑니다. 그래서 마지막에 남은 얼음 속에는 설탕이 거의 없게 되지요. 이와 같은 원리로 불순물이 많이 함유된 규소를 고순도의 규소로 정제할 수 있답니다.


아래 그림에서 코일이 위치한 부분에 규소가 열을 받아 녹게 되는데 이 코일을 위에서부터 아래로 서서히 내리면 규소의 녹는 부분도 서서히 따라서 내려가게 됩니다. 이때 고체 상태의 규소 속에 있던 불순물이 액체 상태의 규소 속으로 녹아 들어가 고체 상태 규소의 순도가 높아집니다. 코일이 맨 아래까지 오게 되면 그 부분의 액체 상태의 규소는 불순물을 한껏 머금고 있으므로 잘라서 버리게 됩니다. 이 과정을 반복하면 아주 순수한 규소를 얻게 된답니다. 요즘은 약 1,000배가량 더 높은 순도의 규소를 사용하기 위해 다른 기술을 활용하고 있습니다만, 여기서는 이 정도만 소개하도록 하겠습니다.

 

▲ 고순도 규소 정제

사진 출처 : http://goo.gl/0hxspD


이렇게 정제된 고순도의 규소를 바로 반도체 소자용으로 사용하기는 아직 이릅니다. 이유는 반도체 소자용으로 사용하기 위해서는 원자 배열이 전 웨이퍼에 걸쳐서 같은 방향으로 정렬된 단결정(單結晶) 실리콘(규소)이 되어야 하는데, 아직은 여러 방향의 작은 결정입자(grain)들로 구성된 다결정(多結晶) 실리콘으로 되어 있기 때문입니다.


단결정과 다결정이 무엇인지 아직 모르겠다고요? 철이와 순이네 학교에는 9개의 반이 있습니다. 아침에 교장 선생님을 모시고 조회를 하는데, 학생들이 모여 있는 방법을 세 가지로 생각할 수 있겠네요. 첫 번째 방법은 모든 학생이 모두 같은 방향으로 줄을 맞춰 서 있는 경우(단결정, Crystalline, 왼쪽 그림), 두 번째 방법은 반별로 줄을 서는데 각 반이 서로 다른 방향을 보고 있는 경우(다결정, Polycrystalline, 가운데 그림), 그리고 세 번째 방법은 모든 학생이 줄을 서지 않고 제멋대로 서 있는 경우(비정질, Amorphous, 오른쪽 그림)입니다. 아무래도 교장 선생님 입장에서는 모든 학생이 같은 방향으로 줄을 맞춰 서 있는 방법을 선호하겠군요. 반도체 소자도 마찬가지랍니다.


▲ 단결정, 다결정, 비정질 비교

사진 출처 : http://goo.gl/UqDmCG


단결정 실리콘으로 만들기 위해 고순도의 다결정 실리콘을 고온에서 녹인 후, 작은 실리콘 결정을 액체 실리콘에 접촉하고 서서히 회전하면서 끌어올리면(왼쪽 그림) 액체 실리콘 속의 원자들이 작은 실리콘 결정의 방향과 같은 방향으로 정렬하면서 달라붙어 커다란 원기둥 형태의 단결정 덩어리(ingot, 잉곳이라고 부릅니다)로 자라갑니다(오른쪽 그림). 이때 회전하는 속도에 따라 잉곳의 직경(6인치, 8인치, 12인치)을 조정할 수 있습니다. 우리가 보는 웨이퍼도 6인치, 8인치, 12인치 등 다양한 것과 마찬가지로 말이지요.


▲ 단결정 성장과 실리콘 단결정 잉곳

사진 출처 : http://goo.gl/aEc4nL / http://goo.gl/fzU0rm


지난 2월호에서 n형 반도체와 p형 반도체에 대해서 다루었던 것 기억하시나요? 일반적으로 진성 반도체는 잘 사용되지 않고 불순물 반도체가 많이 사용되는데, 불순물 반도체는 n형 반도체와 p형 반도체로 나뉜다고 했습니다. 철이와 순이가 1,000원짜리 아이스크림을 사 먹는데 순이는 500원을 가지고 있는데 철이가 600원을 가지고 있을 때 n형 반도체, 400원을 가지고 있는 경우 p형 반도체가 된다고 했지요. (잘 기억이 나지 않는다면 지금 보러 갈까요? (클릭)) 순이는 규소이고 철이는 불순물이 되는 셈입니다.


위 그림(왼쪽)에서 액체 실리콘 속에 비소(As)를 불순물로 소량 넣어 주거나(철이가 600원을 가지고 있는 경우) 붕소(B)를 불순물로 소량 넣어 주는 경우(철이가 400원을 가지고 있는 경우) 실리콘 잉곳은 각각 n형과 p형의 실리콘이 되는 것입니다.


이렇게 만들어진 n형 또는 p형의 실리콘 단결정 잉곳을 절단용 와이어나 다이아몬드를 이용하여 단면으로 얇게 자른 판이 바로 웨이퍼입니다. 이 웨이퍼를 연마 장비에서 다듬으면 거울처럼 매끈하고 반짝이는 웨이퍼로 탄생하는데, 이제야 비로소 반도체 소자를 만들기 위한 웨이퍼가 준비되었네요.

 

▲ 실리콘 웨이퍼

사진 출처 : http://goo.gl/zytrLi



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우리는 그동안 전자공학과 반도체의 역사에 대해서 살펴보았고, 반도체가 무엇인지 그 성질에 대해서 공부했으며, 양자역학을 이용한 띠이론(band theory)에 대해서까지 짚어보았습니다. 이 띠이론은 앞으로 반도체 특성을 설명할 때 단골로 등장할 것이므로 잘 이해를 하는 것이 좋겠고, 이해가 잘되지 않는다면 3월호를 다시 정독하면 도움이 되리라 생각합니다.


전기를 잘 흐르게 하는 도체, 잘 흐르지 못하게 하는 부도체, 때에 따라서 전기를 흐르도록 또는 흐르지 않도록 할 수 있는 반도체를 띠이론으로 설명할 수 있습니다. 도체의 경우에는 가전자대(전자가 채워져 있는 띠)와 전도대(비어있는 띠)가 겹쳐 있어서 많은 수의 전자가 띠사이를 쉽게 이동할 수 있으므로 큰 전류를 흐르게 합니다.


반도체와 부도체는 띠구조가 비슷하게 생겼는데, 가전자대와 전도대가 떨어져 있습니다. 이때, 떨어져 있는 두 띠의 사이를 금지대라고 부릅니다. 하지만 두 띠의 간격이 반도체의 경우에는 2.5eV 이하로 좁아서 (대표적인 반도체 물질인 규소의 경우는 1.11eV의 띠간격을 가지고 있습니다) 이 이상의 에너지를 공급하면 가전자대에 있는 전자들이 전도대로 뛰어 올라가 전류를 흐르게 할 수 있습니다.


다이아몬드를 예로 들면 5.48eV의 띠간격을 갖는데, 반대로 부도체는 두 띠의 간격이 커서 가전자대의 전자를 전도대에 올리기 매우 어려워 전류가 흐르지 않습니다. 그런데 앞에 묘한 단위가 등장했지요? eV란 전자볼트라고 부릅니다. ‘전자 하나가 1볼트의 전위를 거슬러 올라가는데 드는 일’이라고 정의되어 있습니다. 전자 하나도 별거 아니고 1볼트(꼬마전구를 켜는 건전지는 1.5볼트)도 별거 아니라고요? 하지만 1eV를 열로 환산하면 대략 1만도 정도 된다는 사실!


요약하자면, 도체는 금지대가 없고 반도체와 부도체는 금지대가 존재합니다. 그중 반도체는 금지대가 좁고 부도체는 넓다고 이해하면 되겠습니다.


▲ 도체, 반도체, 부도체의 띠 ⓒ백종식


이번에는 반도체의 띠구조에 대해서 아주 조금만 깊이 들어가 볼까요?


지금까지는 전자가 에너지를 얻어 가전자대로부터 전도대로 뛰어 올라가는 것만 고려했는데, 사실은 그 반대의 경우도 생각해볼 수 있습니다. 즉, 전도대에 있던 전자가 가전자대로 내려오면서 에너지를 방출하는 것 말이지요. 지난 3월호에서 이상한 호텔에서 손님이 객실을 바꾸는 예시를 들었습니다. 낮은 층에서 높은 층의 방으로 이동할 때 숙박료 차액을 내야 하고, 거꾸로 높은 층에서 낮은 층의 방으로 이동할 때 숙박료 차액을 돌려받는다고 했던 것을 생각하면 됩니다.


이때 방출되는 에너지는 빛의 형태가 되지만, 띠간격 크기에 따라 빛의 종류가 다릅니다. 대략 2eV에서 3eV 사이의 띠간격을 가지면 우리 눈에 보이는 가시광선 형태의 빛을 방출하게 되고 그보다 띠간격이 크면 자외선 형태의 빛을, 작으면 적외선 형태의 빛을 방출합니다. 최근 LED TV의 백라이트나 LED 조명등에 쓰이는 LED가 바로 이 원리를 이용한 것이지요.


앞서 설명한 띠형태는 이해를 돕기 위해 필자가 간략하게 그린 것입니다. 실제로는 좀 더 복잡하게 생겼습니다. 전자가 띠사이를 이동할 때는 전도대의 가장 낮은 부분에서 가전자대의 가장 높은 부분으로 이동하게 됩니다. 아래 그림을 보면, 왼쪽 그림은 전도대의 가장 낮은 부분과 가전자대의 가장 높은 부분이 잘 정렬되어 있지만, 오른쪽은 전도대의 가장 낮은 부분이 오른쪽으로 치우쳐져 있지요. 왼쪽은 전자가 이동할 때 위에서 아래로 수직으로 이동하면 되지만, 오른쪽은 왼쪽으로 수평이동한 후에 수직으로 이동해야 합니다. 이때 수직으로 이동할 때는 빛을 방출하고 수평으로 이동할 때는 열을 방출합니다.


LED 등 빛을 내는 용도로 사용되는 반도체는 주로 왼쪽 그림과 같은 띠구조를 가지고 있습니다, 오른쪽 그림과 같은 띠구조를 갖는 반도체를 사용하여 LED 등을 만들면, 공급해준 전기에너지 일부가 열을 내는 데 사용되느라 빛을 내는 효율이 낮기 때문에 잘 사용하지 않습니다. 왼쪽 그림의 띠구조를 갖는 반도체를 직접천이 반도체라고 부르고 오른쪽 그림의 띠구조를 갖는 반도체를 간접천이 반도체라고 부릅니다.


▲ 직접천이 반도체와 간접천이 반도체의 띠구조

사진 출처 : http://goo.gl/wC7ekg


반도체 물질은 규소만 있는 것이 아니라 사실 꽤 많습니다. 어떤 물질은 직접천이 반도체(direct gap)이고, 어떤 물질은 간접천이 반도체(indirect gap)입니다. 검은색 점으로 표시된 반도체 물질들 중에서 윗부분에 있는 것들은 자외선 빛을 내는 반도체 물질로, 이 중에서 GaN는 LED 조명등이나 LED TV의 광원으로 많이 사용합니다.


▲ 반도체의 종류

사진 출처 : http://goo.gl/GZATCp


위의 그림에서는 몇 가지 반도체 물질을 보여주고 있습니다. 먼저 규소와 게르마늄 등 홑원소로 된 것들과 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP)처럼 두 가지 원소로 구성된 화합물 형태의 반도체 물질들이 있고, 심지어 세 가지 이상의 원소로 구성된 화합물 반도체도 있습니다. 이 다양한 반도체 물질들은 여러 응용분야에 따라서 사용되고 있습니다.


특히, 이 중에서 규소가 반도체의 대표 주자로서 가장 많이 사용되고 있데요, 그 이유가 무엇일까요? 중학교 과학 시간에 우리가 배운 바로, 지각을 이루는 8대 원소가 있었습니다. 종종 시험문제에 나와서 우리를 괴롭히곤 했던 것이었지요. ‘오시알페카나크마’라는 단어를 무조건 외웠던 기억이 나네요. 풀어서 쓰면, ‘O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg’이며, 산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 마그네슘 순으로 많다는 뜻입니다. 즉, 지구 땅덩어리를 구성하는 물질 중 가장 많은 것이 산소를 제외하고는 바로 규소라는 것이지요. 당연히 규소는 값싼 원재료가 되겠지요? 정말 흙 퍼서 돈 번다는 것이 말이 되네요! 절연체를 만들기 쉽다는 점과 다른 좋은 특성들이 있어서 규소가 반도체의 챔피언이 된 것인데요, 여기서는 굳이 다루지는 않겠습니다. 그럼 다음 주에 뒷이야기를 계속 이어가겠습니다.



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응답하라 1997! 옛날 초등학교 때 전기가 통하는 물체와 통하지 않는 물체 알아보기 실험을 했던 기억 있으시지요? 클립이나 동전 등 금속 재질을 사용한 경우에는 꼬마전구에 불이 들어오고, 연필이나 지우개 같은 물체를 사용한 경우에는 꼬마전구에 불이 들어오지 않았습니다. 이렇게 전기가 잘 통하는 물체를 도체(導體), 잘 통하지 않는 물체를 부도체(不導體)라고 부릅니다.


▲ 전기가 통하는 물질과 통하지 않는 물질

사진 출처 : 응답하라 보물창고(http://blog.daum.net/ebbeni_/47)


그렇다면 반도체(半導體)는 아무래도 중간적인 성질을 갖는 물체를 말하겠지요. 그런데, 중간적인 성질을 갖는다는 것이 무슨 말일까요? 꼬마전구에 불이 어둡게 들어온다는 것인지, 아니면 깜박깜박거린다는 것인지 참 애매한 표현이네요. 반도체를 꼬마전구와 건전지 회로에 연결을 하면 불이 들어오지 않지만, 어떤 특별한 경우에는 불이 들어오게 할 수 있습니다. 즉, 원래 전기를 통하지 않다가 특별한 경우에는 전기가 통하게 될 수도 있다는 말입니다.

다르게 표현하면, 반도체는 원래 부도체지만 도체로 만들 수도 있다는 것입니다. 더 어렵나요? 가장 많이 사용되는 반도체 물질인 규소(silicon)를 예로 들어 보지요. 규소는 평상시에는 거의 전기를 통하지 않다가 높은 온도로 가열해 주거나 특정 불순물(不純物)을 섞어주면 전기가 통하게 됩니다. 실제로 사용되는 반도체는 규소에 불순물을 섞어서 전기가 통하도록 만들고 있답니다. 반도체가 이러한 성질을 갖게 된 이유가 무엇인지 한 번 살펴볼까요?


우리가 사는 태양계를 봅시다. 태양을 중심으로 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등 8개 행성이 각각 궤도를 따라 태양 주위를 돌고 있지요. 원자의 구조도 비슷하게 생겼습니다. 가장 간단한 수소 원자(水素 原子)를 살펴보면, ‘플러스(+)’로 표시된 핵(核)과 ‘마이너스(-)‘로 표시된 전자(電子) 하나로 구성되어 있으며, 전자가 핵 주위를 돌고 있는 구조입니다. 수소 원자의 경우에는 전자의 궤도가 하나만 있다는 점에서 달이 지구 주위를 돌고 있는 것과 비슷합니다.


▲ 원자 모형

사진 출처 : http://study.zum.com/book/14839


규소 원자는 조금 더 복잡하게 생겼습니다. 3개의 궤도가 있고, 총 14개의 전자가 핵 주위를 3개의 궤도로 나누어 돌고 있거든요. 가장 안쪽 궤도에 2개, 두 번째 궤도에 8개, 가장 바깥쪽 궤도에 4개 이렇게요. 규소 원자의 가장 바깥쪽 궤도(이때 가장 바깥쪽 궤도를 최외곽 궤도라고 부릅니다)를 돌고 있는 전자(이때 가장 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자를 최외곽 전자라고 부르지요)는 총 4개인데, 이 4개의 최외각 전자(最外殼 電子)가 규소의 반도체 특성을 주는 데 가장 중요한 역할을 하니 꼭 기억하기 바랍니다.


▲ 태양계

사진 출처 : http://goo.gl/dViu95


순이와 철이 두 사람이 500원씩 있는데, 청량음료가 한 잔에 1000원 한답니다. 두 사람 모두 이 청량음료가 먹고 싶은데 돈이 모자라네요! 헌데 두 사람 모두 이기적이라 상대방에게 돈을 주거나 하지는 않습니다. 그럼 어떻게 하면 좋을까요? 두 사람은 돈을 모아 청량음료를 공유해 먹기로 결정해서 두 사람 모두 만족했으며, 이 청량음료가 있는 한 두 사람은 항상 함께 다니게 되었답니다.


▲ 공유결합의 예

사진 출처 : http://goo.gl/219h0Y


앞서, 규소 원자는 4개의 최외각 전자를 갖고 있다고 언급했는데, 최외각 궤도에는 8개의 전자가 채워져야 만족을 합니다. 마찬가지로 규소 원자도 이기적이라서 이웃 원자에게 전자를 주거나 하지는 않습니다. 두 규소 원자는 각각 최외각 전자 4개씩을 내놓아 8개를 만들어 서로 공유하는 방법으로 최외각 궤도를 채웁니다. 이렇게 최외각 전자를 공유하는 방법으로 수많은 규소 원자들이 결합을 해서 고체를 이루며, 이렇게 전자를 공유하는 방법으로 결합이 이루어지는 것을 공유결합(共有結合)이라고 부릅니다.


규소 원자의 최외각 전자들은 모두 공유결합으로 묶여 있어서 고체 상태의 규소를 이루는데, 이 고체 상태의 규소에 전압을 걸어주면 어떤 일이 일어날까요? 아무런 일도 일어나지 않습니다. 전압을 걸어서 전류가 흐르게 하려면 자유전자가 있어야 하는데, 앞서 말했듯이 규소 원자 내의 모든 최외각 전자는 공유결합을 이루면서 묶여 있어서 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 없기 때문에 전압을 걸어도 전류를 흐르게 하지 않습니다. 즉, 부도체처럼 행동하는 것입니다. 규소는 반도체 물질이므로 도체가 되게 할 수도 있다고 앞서서 말했는데, 이건 어떻게 하면 될까요? 답은 바로 전류를 흐르게 하는 캐리어를 만들어주면 됩니다. 자유전자와 정공이 반도체에서 전류를 흐르게 해주는 것을 캐리어라고 부릅니다. 정공은 다음에 다시 다루도록 하겠습니다. 제법 어려운 용어들이 계속 나오네요! 자유전자는 또 무엇이랍니까?


▲ 반도체 내의 전자 움직임, 실리콘

사진 출처 : http://goo.gl/lWciB1


「톰 소여의 모험」을 보면, 공부도 못하고 말썽만 부리는 주인공 톰 소여와 허클베리 핀, 베키 같은 친구들과 벌이는 재미있는 에피소드를 그려 낸 마크 트웨인의 동화입니다. 거의 매일 밤 허클베리 핀과 노는 탓에 정작 수업시간에는 졸기 일쑤인 톰 소여. 아마 그는 밤뿐만 아니라 낮에도 놀고 말썽부리고 싶었을 텐데 이모한테 들키면 혼쭐이 날 것이므로 억지로 학교에 매여있습니다. 학교도 다니지 않고 자유롭게 놀 수 있는 고아친구 허클베리 핀을 부러워하면서 말이지요. 허클베리 핀이 어른들한테 구속되지 않고 어디든 떠돌아 다닐 수 있는 것과 같이, 특정 원자에 속박되지 않고 원자 사이를 자유롭게 떠돌아 다닐 수 있는 전자를 자유전자라고 부릅니다. 금속 내에는 자유전자들이 많아서 금속에 전압을 걸면 자유전자가 금속원자 사이로 움직여 전류를 흐르게 하는데, 이를 도체라고 부릅니다.


물론 부도체는 자유전자의 발생이 어려워서 전압을 걸어도 전류가 흐르지 않는 물질을 말하는 거고요, 원자 내의 최외곽 전자들은 원자핵으로부터 멀리 떨어져 있어서 힘이 약하게 작용해 이탈이 비교적 쉽습니다. 이런 전자들을 가전자(價電子)라고 부릅니다. 이 가전자들에 열이나 빛 등의 에너지를 가하면 원자의 핵으로부터 이탈되어 비로소 자유전자가 되어 전압에 따라 움직이며 전류를 일으키게 됩니다. 원자핵으로부터 이탈되어 자유전자로써 이동하여 비게 된 자리는 정공(hole)이라고 부르며, 생성되는 자유전자의 수와 정공의 수는 같습니다.


마치 톰 소여에게 강한 동기를 주면 이모에게 꾸지람을 받을 각오를 하고 대낮에도 학교 밖으로 나와 모험을 즐기게 할 수 있는 것처럼 말이지요. 이때 학교에는 톰 소여의 자리가 비어 있게 되겠지요? 이 경우 강한 동기는 열이나 빛 등의 에너지가 되고, 톰 소여는 자유전자가 되며, 빈 자리는 정공이 되는 셈입니다. 자유전자가 음의 전하량을 갖기 때문에 정공은 그 반대인 양의 전하량을 갖게 되며 전압이 걸리면 자유전자와 정공은 반대 방향으로 이동합니다. 이렇게 열을 가해 자유전자와 정공의 쌍을 생성해 내는 반도체를 진성반도체(眞性半導體)라고 부르며 생성되는 자유전자와 정공의 양이 많지 않아 도체로 만들기가 쉽지 않습니다. 따라서 진성반도체는 많이 사용되지 않고 있지요.

(다음 호에 계속)



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  1. 강 정 2015.02.05 18:33 신고 Address Modify/Delete Reply

    글이 재미있네요 ㅎㅎ철이와 순이로 공유결합을ㅋ

  2. 백종식 2015.03.05 15:51 신고 Address Modify/Delete Reply

    재미있게 봐 주셔서 감사합니다.
    반도체의 이론까지 파헤쳐보려고 하다보니 다소 딱딱하고 어려운 주제라고 생각이 들더군요.
    가능한한 쉽고 재미있게 설명해 보려고 노력했습니다.

  3. 2015.11.23 20:28 신고 Address Modify/Delete Reply

    수업을 준비하다가 참고하려고 들어오게 되었습니다. 너무 너무 재미있고 쉽게 글을 잘 쓰세요.. 정말 감사합니다~^^


 최초의 다이오드


드디어 1900년대가 시작되면서, 1904년에 존 플레밍(John Ambrose Fleming, 1849-1945)에 의해 최초의 다이오드(전극 두 개 곧 원통과 필라멘트를 갖고 있으므로 이극진공관(二極眞空管), 즉 다이오드(diode)라고 부르게 되었습니다)가 개발되었습니다. 아래 왼쪽 사진에서 보면, 이극진공관의 모습이 보입니다. 다리가 3개인 이유는 음극을 가열해 열전자(熱電子)가 방출되도록 히터를 부착했기 때문입니다. 이것은 무선통신 신호를 검출(檢出)하기 위한 정류기의 부품으로 사용되기 시작하면서 전자공학의 불씨를 붙였습니다.


▲ (좌) 라디오 수신장치 역할을 한 플레밍 밸브, (우) 최초의 삼극진공관 오디온

사진 출처 : Gregory F. Maxwell at Wikipedia.org


그로부터 2년 후, 미국인 발명가 리 드 포레스트(Lee de Forest, 1873-1961)는 필라멘트와 플레이트, 그리고 그리드로 구성되어 삼극진공관(三極眞空管)이라 불리는 증폭기(위에서 오른쪽 사진)를 발명함으로써 인류가 처음으로 기계적인 조작 없이 전류의 흐름을 통제할 수 있게 되었습니다.


전자공학시대의 시작과 혁명


삼극진공관이 개발되면서 드디어 본격적인 전자공학시대가 열립니다. 진공관이 무선 전신기에 설치되는 데 성공함으로써 이 기술의 상용화가 열리게 되었고, 때마침 개발되기 시작한 무선통신, 무선방송의 발전을 불러일으켜 라디오 및 텔레비전 전성시대가 도래하였습니다. 포레스트는 최초로 유성영화(그전에는 무성영화가 상영되었으며 인기 변사가 구수한 억양으로 모든 등장인물의 대사를 대신했었지요)를 탄생시키고, 그 공으로 오스카 상을 받았다고 합니다.


1946년에는 드디어 진공관 18,000여 개가 사용된 최초의 전자적 컴퓨터 에니악(ENIAC)이 발명됩니다. 제2차 세계대전 때 야포나 미사일의 탄도를 계산하기 위한 목적으로 국방부의 지원으로 개발이 진행되었는데, 전쟁이 종료되고 나서 완성되었다고 하지요. 하지만 이 컴퓨터는 길이가 30미터, 무게가 30톤, 소비전력이 140kW에 달했습니다. 에니악의 전원 스위치가 올라가자 펜실베이니아의 가로등들이 깜박이면서 갑자기 희미해 졌다고 하니 얼마나 많은 전력을 소비했는지 짐작이 갑니다.


앞서 오른쪽 사진에서처럼 18,000여 개의 진공관이 빨갛게 켜지며 작동하는 것을 상상해 보세요. 여기에서 발생하는 열의 양은 엄청났습니다. 오늘날 데스크톱 컴퓨터처럼 작은 팬으로 냉각하는 것이 아니라 거대한 냉각장치까지 동원되어야 했으니 그 크기가 웬만한 빌딩보다 컸다고 합니다. 또한, 진공관의 수명이 짧아서 툭하면 기계가 고장 나기 일쑤라 이를 위해 많은 사람이 진공관 교체를 위해 대기해야 했으며, 실제로 에니악을 사용하는 시간보다 수리하는 시간이 4배나 더 길었다고 합니다.


▲ (좌) 세계 최초의 컴퓨터 에니악, (우) 에니악 진공관


1947년 12월, 미국 벨 연구소에서 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리, 존 바딘에 의해 진공관을 대신할 수 있는 고체 상태의 트랜지스터(벨 연구소의 월터 브래튼, 존 바딘 등 3명의 과학자가 1947년 12월 게르마늄 평판에 금 박편을 접촉한 접점 트랜지스터 개발에 성공함으로써 최초의 트랜지스터가 탄생했습니다. 1948년 1월 윌리엄 쇼클리에 의해 접촉 트랜지스터(일명, 샌드위치 트랜지스터)를 고안해 내었습니다. 한 연구팀에서 두 개의 서로 다른 트랜지스터가 발명된 셈이며, 1956년 위의 세 사람은 노벨상을 공동 수상했습니다)가 아래 사진의 형태로 처음 발명되어 진공관 시대에 안녕을 고하며 반도체 시대를 화려하게 열면서, 드디어 전자공학의 혁명을 일으키게 됩니다.


▲ 1947년 뉴욕 벨연구소에서 개발된 최초의 ‘트랜지스터’


트랜지스터는 증폭작용과 스위칭 역할을 하는 반도체 소자로써 ‘변화하는 저항을 통한 신호 변환기’라는 신조어입니다. 트랜지스터가 개발된 후 전자기기의 크기 및 소비전력이 대폭 줄어들고 가격도 획기적으로 낮아지게 되었습니다. 수 개의 트랜지스터가 하나의 기판에 모여 있는 집적회로의 개념이 개발되면서, 드디어 전자기기의 경박단소(가볍고, 얇고, 짧고, 작은) 및 다기능화가 급속히 이루어지게 되었고, 이때부터 작고 값싼 라디오, 계산기, 컴퓨터 등의 개발이 활발해졌습니다.


오늘날의 반도체 집적회로(IC)는 수억 개의 트랜지스터를 하나의 손톱만 한 칩에 형성하고 있는데, 이러한 반도체 집적회로(IC)의 개념은 1952년 영국의 듀머에 의해 제안되었고, 1958년 텍사스 인스트루먼트(TI) 사에 의해 최초로 개발되었습니다. 이제 초고집적의 반도체는 원자 수십 개 정도의 크기로 선폭을 형성하는 경이할 수준까지 오게 되었습니다.


아래 그림은 전자공학과 반도체의 발달 과정을 간략히 보여줍니다. 먼저, 진공관이 발견되어 무선통신 및 무선방송의 전성시대를 이루면서 전자공학의 시대를 열었고, 고체 트랜지스터가 발견되어 작고 가벼우며 값싼 전자기기들을 제조할 수 있게 되어 전자공학의 혁명을 이루었으며, 많은 트랜지스터를 작은 칩 위에 올려놓은 집적회로가 발명되어, 현재에는 수십억 개의 트랜지스터가 손톱만 한 칩에 들어가 있는 초고집적 회로 시대에 이르렀습니다.


▲ 논리 회로 소자의 발달 과정


지금까지 전자공학과 반도체의 역사를 살펴보았습니다. 아무래도 역사는 따분하고 졸리고 어렵지요. 이제는 반도체에 대한 깊은 이야기 속으로 들어가기로 하겠습니다. 도대체 반도체의 정체가 무엇인지, 어떤 성질을 가지고 있는지, 어떻게 쓰이고 있는지 재미있게 다루어 보려고 합니다, 다음 호를 기대해 주세요!



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