최근 뉴스를 보다 보면, 정치, 경제, 세계, IT 등 분야를 막론하고 심심치 않게 등장하는 단어가 있는데요. 바로 반도체입니다. 반도체 공급난이나 관련 정책에 대한 이야기, 세계 반도체 기업들의 매출 및 신기술에 대한 이야기, 심지어는 그 기업들의 주가에 대한 이야기까지 정말 많은 이야기들이 오가고 있죠. 그 덕분에 반도체는 이제 우리 모두에게 익숙한 단어가 되었습니다. 하지만 반도체라는 단어가 지칭하는 대상이 명확하지 않아서 도대체 반도체가 정확히 무엇을 뜻하는 것인지 헷갈리는 분들이 많을 것 같은데요. 반도체란 무엇일까요?
그림 1. 집적 회로의 기판이 되는 웨이퍼
반도체의 사전적 정의는 그 이름에서 알 수 있듯이, ‘전류가 흐르는 정도가 도체와 부도체의 중간인 물질’입니다. 그런데 일상 생활 속에서나 경제, 산업 분야에서는 주로 물질 그 자체보다는 반도체로 만든 반도체 소자, 그 반도체 소자들을 연결하여 만든 집적 회로(IC)1 제품들을 반도체라고 부르는 경우가 많기 때문에 헷갈리는 것이죠. 조금 감이 오시나요? 아직 잘 모르겠다고요? 그런 여러분들을 위해, 오늘 전공 수업 소개 코너에서는 전기정보공학부의 ‘반도체 소자’ 수업에서 어떤 것들을 배우는지 소개해 드리면서 반도체의 세계로 여러분을 초대하고자 합니다.
1 트랜지스터, 다이오드, 저항, 축전기, 코일 등의 소자들로 특정 기능을 수행하는 전기 회로를 하나의 반도체 기판 위에 구현한 것.
그림 2. 실리콘(Si)의 결정 구조
진성 반도체와 도핑
앞서 말했듯, 반도체는 전기적인 성질이 도체와 부도체의 중간 정도인 물질로, 대표적으로는 실리콘(Si)이 있습니다. 원자가전자2가 4개인 실리콘은 이웃한 4개의 실리콘 원자와 공유 결합하여 결정3을 이루게 됩니다.
이와 같이 실리콘 원자만으로 구성된 반도체를 진성(순수) 반도체라고 합니다. 진성 반도체에서는 대부분의 전자들이 공유 결합에 기여하고 있기 때문에 전기가 잘 통하지 않아요. 따라서 전기 전도도4를 높이기 위해 진성 반도체에 의도적으로 불순물을 첨가하는 ‘도핑’이라는 과정을 거칩니다.
앞서 말했듯, 반도체는 전기적인 성질이 도체와 부도체의 중간 정도인 물질로, 대표적으로는 실리콘(Si)이 있습니다. 원자가전자2가 4개인 실리콘은 이웃한 4개의 실리콘 원자와 공유 결합하여 결정3을 이루게 됩니다.
이와 같이 실리콘 원자만으로 구성된 반도체를 진성(순수) 반도체라고 합니다. 진성 반도체에서는 대부분의 전자들이 공유 결합에 기여하고 있기 때문에 전기가 잘 통하지 않아요. 따라서 전기 전도도4를 높이기 위해 진성 반도체에 의도적으로 불순물을 첨가하는 ‘도핑’이라는 과정을 거칩니다.
이때, 원자가전자가 5개인 불순물(예를 들어 인(P))을 첨가하면 N형 반도체, 원자가전자가 3개인 불순물(예를 들어 붕소(B))을 첨가하면 P형 반도체가 되는데요, N형 반도체에서는 공유 결합 후 남게 되는 ‘자유 전자’가, P형 반도체에서는 전자가 있어야 할 곳에 전자가 없어서 발생하는 ‘정공’이 전하 운반자 역할을 하게 됩니다.
2 원자의 가장 바깥 껍질에서 화학 반응에 참여하는 전자.
3 원자의 배열이 규칙적으로 반복되는 물질.
4 물체에 전류가 잘 흐르는 정도를 표시하는 양
그림 3. N형 반도체(왼쪽)와 P형 반도체(오른쪽)
여기서 중요한 것은 N형 반도체의 불순물(인(P))은 전자를 하나 잃음으로써 자유 전자를 만들어 내기 때문에 양이온(P+)이 되고, P형 반도체의 불순물(붕소(B))은 전자를 하나 얻음으로써 전자의 빈자리(정공)를 만들어 내기 때문에 음이온(B-)이 된다는 사실입니다. 이렇게 만들어진 P형 반도체와 N형 반도체는 아직까지는 재료에 불과한데요, 이제부터는 이들을 조립하여 본격적으로 반도체 소자를 만들어 볼 차례입니다.
가장 단순한 반도체 소자, PN 접합 다이오드
앞에서 이야기한 P형 반도체와 N형 반도체를 접촉시키면 어떤 일이 벌어질까요? P형 반도체에는 정공이, N형 반도체에는 전자가 많기 때문에 농도 차이에 의한 확산5이 일어납니다. 정공은 P형에서 N형으로, 전자는 N형에서 P형으로 확산되는 것이죠. 이때 정공과 전자가 반대편으로 넘어가고 나면, 그 자리에는 이온화된 불순물들이 남게 됩니다. 이렇게 형성된 영역을 ‘공핍 영역’이라고 하는데요. 공핍 영역에 남게 된 양이온과 음이온 사이에는 전기장이 형성되면서 정공과 전자의 확산이 더 이상 일어나지 않도록 막아주어 평형 상태에 이르게 됩니다.
앞에서 이야기한 P형 반도체와 N형 반도체를 접촉시키면 어떤 일이 벌어질까요? P형 반도체에는 정공이, N형 반도체에는 전자가 많기 때문에 농도 차이에 의한 확산5이 일어납니다. 정공은 P형에서 N형으로, 전자는 N형에서 P형으로 확산되는 것이죠. 이때 정공과 전자가 반대편으로 넘어가고 나면, 그 자리에는 이온화된 불순물들이 남게 됩니다. 이렇게 형성된 영역을 ‘공핍 영역’이라고 하는데요. 공핍 영역에 남게 된 양이온과 음이온 사이에는 전기장이 형성되면서 정공과 전자의 확산이 더 이상 일어나지 않도록 막아주어 평형 상태에 이르게 됩니다.
5 물질의 농도 차이에 의해 고농도에서 저농도로 에너지 소모 없이 스스로 퍼져 나가는 현상.
그림 4. PN 접합 다이오드(왼쪽이 P형, 오른쪽이 N형)
이처럼 P형 반도체와 N형 반도체를 접촉시켜 사이에 공핍 영역이 형성되어 있는 소자를 PN 접합 다이오드(또는 간단히 다이오드)라고 하는데요. 그렇다면 다이오드가 회로에서 어떤 동작을 하는지 좀 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다.
전류를 일방통행 시키는 다이오드의 정류 작용
이번에는 그림 3의 다이오드에 외부 전압을 가해볼 건데요. 만약 건전지의 (+)극을 P형 반도체에, (-)극을 N형 반도체에 연결한다면 어떻게 될까요? 건전지의 전압에 의해 공핍 영역에서의 전기장 세기가 약해지고, 평형이 깨지면서 정공과 전자의 확산이 다시 활발하게 이루어지게 됩니다. 그 후 N형으로 주입된 정공은 건전지의 (-)극 쪽으로, P형으로 주입된 전자는 건전지의 (+)극 쪽으로 전선을 따라 이동하게 되겠죠. 그런데 우리는 전하의 이동을 전류라고 부르죠? 즉, 전류가 흐르는 것입니다!
이번에는 그림 3의 다이오드에 외부 전압을 가해볼 건데요. 만약 건전지의 (+)극을 P형 반도체에, (-)극을 N형 반도체에 연결한다면 어떻게 될까요? 건전지의 전압에 의해 공핍 영역에서의 전기장 세기가 약해지고, 평형이 깨지면서 정공과 전자의 확산이 다시 활발하게 이루어지게 됩니다. 그 후 N형으로 주입된 정공은 건전지의 (-)극 쪽으로, P형으로 주입된 전자는 건전지의 (+)극 쪽으로 전선을 따라 이동하게 되겠죠. 그런데 우리는 전하의 이동을 전류라고 부르죠? 즉, 전류가 흐르는 것입니다!
그림 5. PN 접합 다이오드에 순방향 전압이 가해졌을 때
이렇게 P형 반도체 쪽에 높은 전압이 가해지는 것을 ‘순방향 전압’이라고 부르고, 다이오드에 순방향 전압이 가해지면 전류가 흐르게 됩니다.
만약 위와 반대로 전압이 가해지면, ‘역방향 전압’이라고 부르고, 역방향 전압이 가해졌을 때는 공핍 영역의 전기장이 강화되어 확산을 억제하기 때문에 전류가 거의 흐르지 않게 됩니다. 이처럼 다이오드가 순방향 전압일 때 전류를 흐르게 하고, 역방향 전압일 때 전류를 차단하는 것을 ‘정류 작용’이라고 한답니다.
만약 위와 반대로 전압이 가해지면, ‘역방향 전압’이라고 부르고, 역방향 전압이 가해졌을 때는 공핍 영역의 전기장이 강화되어 확산을 억제하기 때문에 전류가 거의 흐르지 않게 됩니다. 이처럼 다이오드가 순방향 전압일 때 전류를 흐르게 하고, 역방향 전압일 때 전류를 차단하는 것을 ‘정류 작용’이라고 한답니다.
그림 6. 확산 방정식(DN은 확산 계수, τn은 전자의 재결합 수명)
다이오드 방정식 이해하기
다이오드 전류의 세기는 어떻게 알 수 있을까요? 우리가 중학교 과학시간에 배운 ‘옴의 법칙’ (V=IR)을 생각해보면 전압과 전류의 크기가 비례할 것 같지만, 다이오드에서는 그렇지 않습니다. 그 이유는 전자와 정공이 확산에 의해 이동하기 때문인데요. 이를 정확하게 분석하기 위해서는 ‘확산 방정식’을 사용해야 합니다. 외부 전압에 의해 일정한 전류가 흐르는 상황에서, P 영역의 전자 농도를 np라고 하면, 전자의 확산 방정식은 다음과 같습니다.
다이오드 전류의 세기는 어떻게 알 수 있을까요? 우리가 중학교 과학시간에 배운 ‘옴의 법칙’ (V=IR)을 생각해보면 전압과 전류의 크기가 비례할 것 같지만, 다이오드에서는 그렇지 않습니다. 그 이유는 전자와 정공이 확산에 의해 이동하기 때문인데요. 이를 정확하게 분석하기 위해서는 ‘확산 방정식’을 사용해야 합니다. 외부 전압에 의해 일정한 전류가 흐르는 상황에서, P 영역의 전자 농도를 np라고 하면, 전자의 확산 방정식은 다음과 같습니다.
그림 7. 전류 연속 방정식(q는 전자의 전하량, JN은 전류 밀도 '단위 면적당 전류')
즉 확산 방정식은 전자 농도에 대한 미분 방정식이라고 할 수 있는데요. 적절한 경계 조건을 사용하면 전자의 농도를 위치에 대한 함수로 구할 수 있답니다. 전자의 농도와 전류의 관계는 ‘전류 연속 방정식’으로 알 수 있는데요. 전류 연속 방정식은 전하량 보존 법칙6을 수학적으로 기술한 것입니다.
전자의 농도 함수를 전류 연속 방정식에 대입하여 전자 전류를 구하고, 비슷한 방식으로 정공의 전류를 구하여 합하면 그림 8과 같은 결과를 얻을 수 있어요.
전자의 농도 함수를 전류 연속 방정식에 대입하여 전자 전류를 구하고, 비슷한 방식으로 정공의 전류를 구하여 합하면 그림 8과 같은 결과를 얻을 수 있어요.
6 전하의 총 양은 보존된다는 법칙으로, 전하가 새로 만들어지거나 소멸되지 않음을 의미한다.
그림 8. 다이오드 방정식과 그래프 (I0는 비례 상수, VA는 외부 전압, k는 볼츠만 상수, T는 절대온도)
이렇게 다이오드에 가해진 전압과 전류 사이의 관계를 나타낸 식을 ‘다이오드 방정식’이라고 불러요. 위의 과정을 모두 이해하는 것은 힘들겠지만, 결과를 이해하는 것이 중요한데요. 다이오드 방정식을 보면 VA>0 일 때, 즉 순방향 전압일 때 전압이 커짐에 따라 전류가 지수함수적으로 커진다는 것을 알 수 있습니다. 다시 말해서 작은 폭의 전압 변화가 큰 폭의 전류 변화를 불러 일으킨다는 것을 의미하죠. 이러한 증폭 작용과, 앞서 말한 정류 작용을 응용한 것이 바로 트랜지스터입니다.
전자 회로의 주인공, 트랜지스터
다이오드는 정류 작용 덕분에 그 자체로도 회로에서 유용하게 사용되지만, 전자 회로에 사용되는 반도체 소자의 대부분은 트랜지스터입니다. 트랜지스터를 한 문장으로 요약하면, ‘전압 조건에 따라 스위치 역할을 하거나 증폭 작용을 하는 소자’라고 할 수 있어요. 스위치 역할은 CPU나 GPU등 연산 장치, DRAM이나 NAND 플래시 등 저장 장치를 포함한 수많은 디지털 회로에 사용되고, 증폭 작용은 주로 아날로그 회로에 사용된답니다. 놀라운 것은 트랜지스터와 저항, 축전기, 인덕터(코일)를 조합하면 우리가 필요로 하는 대부분의 회로를 만들 수 있다는 사실입니다. 정말 신기하지 않나요?
트랜지스터 없는 우리의 생활은 상상할 수 없을 정도로 트랜지스터는 굉장히 많은 곳에서 중요한 역할을 하고 있는데요, 다이오드를 공부하는 이유 역시 트랜지스터를 정확하게 이해하기 위함이라고 할 수 있습니다. 따라서 반도체 소자 수업에서는 대표적인 2가지 트랜지스터, BJT(Bipolar Junction Transistor)와 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)에 대해 자세하게 배워요. 기초적인 동작 원리나 전류-전압 특성부터, 점점 소형화되는 소자들의 안정성을 위한 여러 설계 방법까지 공부한답니다. 반도체 기술에 대한 더 자세한 내용이 궁금하신 분들께는, ‘삼성반도체이야기’ 사이트 또는 ‘SK하이닉스 뉴스룸’ 사이트에서 더욱 다양한 이야기들을 만나 보시기를 추천 드립니다.
오늘은 여러분들과 함께 반도체 소자에 대해 살펴보았는데요, 이제 반도체가 무엇인지 조금은 알 것 같나요? 눈에 보이지 않을 정도로 작은 물리적 현상들을 분석하고, 소자를 설계하여 엄청난 집적도의 회로를 만들어낸다는 것이 정말 매력적인 것 같습니다. 이번 기회를 통해 독자 여러분도 우리에게 없어서는 안 될 반도체에 대해 관심을 가질 수 있기를 바랍니다.
다이오드는 정류 작용 덕분에 그 자체로도 회로에서 유용하게 사용되지만, 전자 회로에 사용되는 반도체 소자의 대부분은 트랜지스터입니다. 트랜지스터를 한 문장으로 요약하면, ‘전압 조건에 따라 스위치 역할을 하거나 증폭 작용을 하는 소자’라고 할 수 있어요. 스위치 역할은 CPU나 GPU등 연산 장치, DRAM이나 NAND 플래시 등 저장 장치를 포함한 수많은 디지털 회로에 사용되고, 증폭 작용은 주로 아날로그 회로에 사용된답니다. 놀라운 것은 트랜지스터와 저항, 축전기, 인덕터(코일)를 조합하면 우리가 필요로 하는 대부분의 회로를 만들 수 있다는 사실입니다. 정말 신기하지 않나요?
트랜지스터 없는 우리의 생활은 상상할 수 없을 정도로 트랜지스터는 굉장히 많은 곳에서 중요한 역할을 하고 있는데요, 다이오드를 공부하는 이유 역시 트랜지스터를 정확하게 이해하기 위함이라고 할 수 있습니다. 따라서 반도체 소자 수업에서는 대표적인 2가지 트랜지스터, BJT(Bipolar Junction Transistor)와 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)에 대해 자세하게 배워요. 기초적인 동작 원리나 전류-전압 특성부터, 점점 소형화되는 소자들의 안정성을 위한 여러 설계 방법까지 공부한답니다. 반도체 기술에 대한 더 자세한 내용이 궁금하신 분들께는, ‘삼성반도체이야기’ 사이트 또는 ‘SK하이닉스 뉴스룸’ 사이트에서 더욱 다양한 이야기들을 만나 보시기를 추천 드립니다.
오늘은 여러분들과 함께 반도체 소자에 대해 살펴보았는데요, 이제 반도체가 무엇인지 조금은 알 것 같나요? 눈에 보이지 않을 정도로 작은 물리적 현상들을 분석하고, 소자를 설계하여 엄청난 집적도의 회로를 만들어낸다는 것이 정말 매력적인 것 같습니다. 이번 기회를 통해 독자 여러분도 우리에게 없어서는 안 될 반도체에 대해 관심을 가질 수 있기를 바랍니다.
- 참고문헌
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[1] Robert F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, 2nd Edition
- 그림출처
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그림 1. [반도체 8대 공정] 1탄, ‘웨이퍼’란 무엇일까요?,
www.samsungsemiconstory.com/kr/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4-8%EB%8C%80-%EA%B3%B5%EC%A0%95-1%ED%83%84-%EC%9B%A8%EC%9D%B4%ED%8D%BC%EB%9E%80-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%BC%EA%B9%8C%EC%9A%94/
그림 2, 그림 3, 그림 4, 그림 5, 그림 6, 그림 7, 그림 8. Robert F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, 2nd Edition