반도체란 무엇인가

도체와 부도체의 중간 정도가 되는 물질

p-type 반도체와 n-type 반도체 차이 

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] ‘산업의 쌀’이라고 불리는 반도체는 날이 갈수록 국가의 운명을 좌우하는 핵심산업으로 자리 잡고 있다. 최근 바이든의 방한 이후, 반도체의 중요성이 커지면서 국내외 기술 선점의 경쟁이 치열해지고 있다. 우선 반도체가 무엇인지 알아보자. 

반도체 (Semiconductor)란 전기전도도가 도체와 부도체의 중간 정도가 되는 물질로 도체와 부도체의 성질 모두 지니고 있다. 순수 반도체는 부도체와 같이 전류가 안 통하지만 빛 혹은 열을 가하거나 특정 불순물을 주입하는 등 직접적으로 조작을 하면 도체처럼 전류가 흐를 수 있다. 부도체는 전류가 흐르는 것이 아예 불가능하며 도체는 전류가 잘 통하지만 전류의 양을 조절하기가 어렵다. 

여기서 도체 (conductor)란 자유전자가 많고 열과 전기에 대한 저항이 적어 열과 전기가 잘 통하는 물질이다. 대표적인 예시로 철, 구리, 알루미늄 등 금속 등이 있다. 반면 부도체 혹은 절연체 (insulator)는 전기 또는 열에 대한 저항이 매우 커 전기나 열에 대한 전도율이 매우 낮은 물질로 그 종류로 나무, 고무, 비닐 등이 있다. 전기전도도란 전류가 얼마나 잘 흐를 수 있는지를 나타내는 지표로 도체는 전기전도도가 크고 부도체는 전기전도도가 0에 가깝다.

반도체는 크게 구성요소에 따라 원소 반도체와 화합물 반도체로 나뉜다. 원소 반도체는 한 가지 원소로 이루어진 반도체로 보통 실리콘 (Si)과 게르마늄 (Ge)과 같은 14족 원소를 사용하다. 실리콘의 특징은 불순물을 반도체에 주입해 전기전도도를 조절한다. 화합물 반도체는 13족 원소들과 15족 원소들을 결합한 것이다. 

고체는 결정질과 비정질로 나뉘며 결정질에는 단결정과 다결정으로 분리된다. 결정은 분자의 규칙적인 배열로 규칙적인 배열이 고체 전체에 균일하게 있으면 단결정이다. 다결정은 많은 단결정들이 모여 이루어진 것을 말한다. 반도체에 사용하는 실리콘은 단결정이어야 하며 다결정의 실리콘은 반도체에 사용할 수 없기 때문에 특정 공정을 통해 단결정으로 만들어야 한다. 

실리콘은 원자끼리 최외각 전자를 공유해 공유결합이 된 상태를 갖고 있다. 순수한 실리콘은 결합으로 인해 전자가 움직일 수 없어 전압을 걸어도 전류가 흐르지 못한다. 이를 진성 (intrinsic) 반도체라 한다. 부도체와 같은 진성 반도체에 인(P), 붕소(B) 등 특정 불순물을 주입하면 전류가 흐르게 되며 이를 불순물 (impurity) 반도체 혹은 외인성 (extrinsic) 반도체라 한다.

진성 반도체에 13족 원소를 주입하면 전자가 비어 +를 띠고 있는 입자처럼 보이는 상태인 정공(hole)이 생기게 된다. 이때 전압을 걸면 전류가 흐르게 되면서 이를 p-type 반도체라 한다. 반면 15족 원소를 넣으면 전자가 남게 되는 잉여 전자가 생기게 되면서 잉여 전자가 자유 전자가 되어 전압을 걸으면 전류가 통하게 된다. 이를 n-type 반도체라 한다.