[전자 하드웨어 기초] 22. 반도체에 대한 간단한 이해

안녕하세요. 리습입니다.

 지금 까지 알아본, 저항/캐패시터/인더터 RLC를 가지고도 수많은 회로들을 만들 수 있습니다. 하지만 이것만으론 충분하지 않죠. R/L/C외에도 우리에게는 '반도체'라고 하는 소자가 있습니다. 트랜지스터, 다이오드와 같은 소자들이 모두 반도체인 것이죠. 이러한 반도체 들은 우리가 알고 있는 모든 전기회로들을 더 작게 동작할 수 있도록 만들어 주었고 사람들의 삶을 바꾸어 놓았습니다. 이러한 반도체 소자에 대하여 하나씩 알아보도록 하겠습니다.

---

1. 반도체란 과연 무엇인가

 우선 반도체라는 용어에 대해서 생각해볼 필요가 있습니다. 한자로 반도체는 절반만 도체다 라는 뜻을 가지고 있고, 영어로는 semiconductor로, 마찬가지로 전도체 이기도 하다는 뜻입니다. 말 그대로 반도체는 전류의 흐름/제어 에 따라 전류가 흐르기도 하고, 흐르지 않기도 하는 소자입니다. 전류를 가하는 방향에 따라 전류가 흐르기도 하고, 혹은 전류의 입력에 따라 전류가 흐르기도 합니다. 즉 전류의 흐름에 방향을 결정할 수 있는 소자 인 것이죠.

 예를 들어 R/L/C 의 경우 전류를 제어하거나, 전류 흐름의 속도 증가를 조절하는 기능을 만들 수는 있었으나, 전류의 방향을 바꿀 수는 없었습니다. 저항을 아무리 연결한다고 하더라도 전류의 방향이 갑자기 변하거나, 다른 저항의 전류를 막을 수는 없었죠. 하지만 반도체를 이용한다면, 전류의 방향을 비로소 제어할 수 있게 됩니다. 방향을 제어할 수 있게 되기 때문에 우리는 수많은 응용 회로를 만들 수 있게 되는 것이지요.

2. 반도체가 있다면, 그럼 도체와 도체가 아닌 것은?

 사실 도체와 도체가 아닌 것들이 오히려 자연계에선 더 자연스러운 것들 입니다. 반도체가 오히려 부자연스러운 것이고, 사람이 만들어 낸 것이지요. 따라서 도체/부도체부터 설명을 하는 것이 더 자연스러울 수 있지만, 우리는 반도체에 대해서 알아보고 있으니 반도체를 중심으로 이야기를 해보죠.

 모든 물질은 원자라고 하는 기본단위로 구성되어 있습니다. 원자는 또한 원자핵과 전자로 구성되어 있고, 전자는 원자핵의 주변에 존재하고 있죠. 엄밀한 해석은 확률로 전자의 위치를 표현해야 하지만, 우리는 직관적인 방법으로 원자 그리고 그 전자에 대해서 이해해 보도록 하겠습니다.

 원자를 표현하면 아래와 같이 그림을 그릴 수 있습니다. 원자는 중심에 양자와 중성자로 구성되어 있는 원자핵이 있고, 그 주변에 수많은 전자전자들로 구성되어 있습니다. 전자들은 8개가 함께 있어야만 안정해지는 성질이 있어, 8로 나누었을 때의 나머지 전자는 '자유전자'라 불리며, 작은 힘에도 쉽게 움직이는 전자가 됩니다.

원자의 구조(개념적으로 옥텟규칙을 따르는 형태)

 그럼 반도체 보다 전기가 잘 흐르는 것은 무엇이라고 부를까요? 그런 물질을 우리는 도체라고 부릅니다. 도체 (Conductor)는 전류가 흐르기 쉬운 물질을 의미하며, 보통 우리가 전선으로 많이 사용하는 구리/철/납과 같은 금속소재들이 그 예입니다. 이런 도체에는 자유전자가 많이 포함되어 있기 때문에 전압과 같은 전기장을 조금만 가해주더라도 전자가 쉽게 움직여 전류가 생기게 됩니다.

 반대로 적게 흐르는 물질은 무엇일까요? 우리는 그것을 부도체(Insulator)라 부르며, 자유전자가 적거나 없어서 매우 안정화되어 있기 때문에 전압이 많이 걸리더라도 전류가 쉽게 생기지 않는 물질을 의미합니다. 고무와 같은 물질이 그 예입니다.

3. 그렇다면 반도체로 선택되는 물질은?

 쉽게 생각하면, 반도체는 최외각 자유 전자가 4개만 존재하여 잘 흐르는 듯하면서 잘 흐르지 않는 물질입니다. 우리가 가장 많이 사용하는 반도체의 기본 물질인 실리콘  (si)는 다음과 같은 전자 배치를 가집니다.

si, 실리콘의 전자 배치 예시

가장 최 외각의 전자가 4개로 불안정과 안정의 가장 중간에 있는 원자이기 때문에 반도체의 소재로 가장 많이 사용되는 것이지요. 물론, 이 원자만으로 반도체를 만들 수는 없습니다. 여기에 빛이나 열과 같은 에너지 혹은 다른 불순물들을 섞어 반도체를 만들게 되는 것이지요. 이러한 에너지를 가하게 되면, 반도체 물질에서 전자가 자유전자보다 더 자유로운 상태로 변하고, 그 전자의 자리가 비게 되는데, 이때 빈자리를 우리는 정공이라 부르고 전자와 정공을 통틀어 캐리어(Carrier)라 부릅니다. 이러한 캐리어 들은 반도체를 구성하는데 가장 중요한 개념이기 때문에 잘 기억해 두시길 바랍니다.

 이렇게 반도체의 기본 개념에 대해 간단히 알아보았습니다. 반도체는 도체와 부도체의 중간에 위치하는 물질들에 에너지를 가해 만든 '특이한'물질이며, 전자와 정공과 같은 캐리어들이 있다정도는 앞으로도 기억해주시면 좋을 것 같습니다.

그럼 이제 반도체 소자에 대해서 알아보도록 하겠습니다.