반도체

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1. 개요

반도체는 전기적 특성을 제어하여 다양한 전자 소자에 활용되는 물질이다. 19세기 초부터 전기적 특성이 관찰되었으며, 1874년 카를 페르디난트 브라운이 최초의 반도체 소자인 결정 검파기를 개발했다. 20세기 초 고체 물리학의 발전과 함께 반도체 이론이 정립되었고, 1947년 존 바딘, 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리가 트랜지스터를 발명하면서 반도체 기술은 비약적으로 발전했다. 반도체는 가변적인 전기 전도성, 여기된 전자, 발광, 열전 효과 등의 특성을 가지며, P-N 접합을 통해 다이오드, 트랜지스터, 태양전지 등 다양한 소자를 구현한다. 주요 반도체 재료로는 실리콘, 저마늄, 갈륨 비소 등이 있으며, 높은 순도와 결정 구조의 완전성이 요구된다. 한국은 메모리 반도체 분야에서 세계적인 경쟁력을 보유하고 있으며, 시스템 반도체 분야 육성을 위한 투자를 확대하고 있다.

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띠 이론 - 띠구조
띠구조는 결정 내 전자의 에너지 범위를 나타내는 개념으로, 에너지 띠와 띠틈으로 구성되며, 도체, 절연체, 반도체의 전기적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.
띠 이론 - 띠틈
띠틈은 반도체와 절연체에서 전자가 존재할 수 없는 에너지 준위 범위로, 물질의 전기적, 광학적 특성을 결정하며 직접 띠틈과 간접 띠틈으로 나뉘고, 띠틈 엔지니어링을 통해 제어 가능하다.
고체물리학 - 원자가띠
원자가띠는 반도체의 전기적 특성을 설명하는 밴드 이론의 중요한 개념으로, sp3 혼성 궤도에 의해 형성되며, 스핀-궤도 상호작용 등에 의해 여러 밴드로 나뉜다.
고체물리학 - 전도띠
전도띠는 고체 내에서 전자가 존재할 수 있는 에너지 범위로, 밴드갭과 관련 있으며, 고체의 전기 전도도는 원자가 띠에서 전도 띠로 전자를 이동시키는 능력에 따라 달라진다.
컴퓨터에 관한 - N형 반도체
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컴퓨터에 관한 - CMOS
CMOS는 상보적 금속 산화막 반도체의 약자로, 저전력 소비를 특징으로 하며, P형과 N형 MOSFET을 결합하여 논리 게이트를 구현하는 디지털 회로 설계 방식 및 공정 계열이다.

반도체
개요
정의	도체와 부도체의 중간 정도의 전기 전도도를 갖는 물질
전기 전도도	도체와 부도체 사이
저항률	도체와 절연체 사이
온도 특성	온도가 높아질수록 전도도가 증가 (부성 저항 온도 계수)
전기 전도도
전도 기제	전자의 에너지 띠 이론으로 설명
밴드 갭	부도체보다는 작고 도체보다는 큰 에너지 밴드 갭 존재
고유 반도체	순수한 반도체 물질 (예: 규소, 저마늄)
불순물 반도체	도핑을 통해 전도도를 조절한 반도체
종류
원소 반도체	규소(Si), 저마늄(Ge)
화합물 반도체	갈륨 비소(GaAs), 인듐 인 (InP), 카드뮴 텔루라이드(CdTe)
유기 반도체	유기 물질 기반 반도체
특성
전도도 조절	불순물 주입(도핑)을 통해 전도도 정밀 조절 가능
온도 의존성	온도에 따라 전기 전도도가 크게 변화함
광전 효과	빛을 흡수하여 전기적 특성 변화
응용
전자 소자	다이오드, 트랜지스터, 집적 회로 등 핵심 재료
광전자 소자	태양 전지, 발광 다이오드 (LED), 광 검출기 등에 사용
센서	온도, 빛, 압력 등 다양한 물리량 감지
열전 소자	온도차를 이용한 발전 및 냉각
역사
최초 발견	19세기 초 마이클 패러데이의 황화은 실험
본격적인 연구	20세기 초 양자역학 발전과 함께 활발한 연구 시작
트랜지스터 발명	1947년 벨 연구소에서 트랜지스터 발명
집적 회로 개발	1958년 집적 회로 개발로 전자 산업에 혁명적인 변화
제조 공정
단결정 성장	순수한 반도체 단결정 제조 (초크랄스키법 등)
박막 증착	다양한 방법으로 반도체 박막 형성
도핑	불순물 원자 주입하여 전도도 조절
포토리소그래피	회로 패턴 형성
식각	필요 없는 부분 제거
금속 배선	회로 연결
추가 정보
MOSFET	반도체 기반 트랜지스터
반도체 장치	다양한 반도체 소자
반도체 산업	반도체 제조 및 관련 산업
나노 전자공학	나노미터 크기에서 동작하는 전자 소자 연구 분야

2. 초기 역사

반도체에 대한 이해는 19세기 초 물질의 전기적 특성에 대한 관찰에서 시작되었다. 주요 발견으로는 저항의 온도 계수, 정류 현상, 광민감도 등이 있다. 1874년 카를 페르디난트 브라운은 금속 황화물에서 정류 현상을 발견했으며, 이는 최초의 반도체 소자 발견으로 이어진다.

이러한 현상들을 설명하기 위해서는 고체 물리학 이론이 필요했는데, 이 이론은 20세기 전반에 걸쳐 크게 발전했다. 1878년 에드윈 허버트 홀은 자기장에 의해 흐르는 전하 운반체가 휘는 현상(홀 효과)을 발견했다. 1897년 J.J. 톰슨이 전자를 발견함으로써 고체 내 전자 전도 이론이 나타났다. 카를 바데커는 금속과 반대 부호의 홀 효과를 관찰하여 요오드화구리가 양전하 운반체를 가진다고 생각했다. 1914년 요한 코니히스베르거는 고체 재료를 금속, 절연체, "가변 전도체"로 분류했고, 그의 제자 요셉 바이스는 1910년 박사 논문에서 'Halbleiter'(현대적 의미의 반도체)라는 용어를 사용했다.^[42]^[43] 1928년 펠릭스 블로흐는 원자 격자를 통한 전자 이동 이론을 발표했다. 1930년 베르너 구덴은 반도체 전도도가 미량의 불순물 때문이라고 말했다. 1931년 앨런 해리스 윌슨은 전도 띠 이론을 확립하고 띠 간격 개념을 개발했다. 발터 쇼트키와 네빌 프랜시스 모트는 전위 장벽과 금속-반도체 접합 특성 모델을 개발했다. 1938년 보리스 다비도프는 p-n 접합 영향과 소수 캐리어 및 표면 상태의 중요성을 밝힌 산화구리 정류기 이론을 개발했다.^[39]

이론적 예측과 실험 결과 사이의 불일치는 존 바딘에 의해 반도체의 "구조 민감성", 즉 미량 불순물에 따른 특성 변화 때문으로 설명되었다.^[39]

반도체 소자는 처음에는 경험에 기반하여 만들어졌으나, 이후 반도체 이론 발전으로 더 나은 소자 구성이 가능해졌다. 1926년 율리우스 에드거 릴리엔펠트는 전계 효과 트랜지스터 특허를 얻었지만, 당시에는 실현되지 못했다. 1930년대에는 반도체 증폭기 출현이 이론적으로 예상되었으나, 낮은 반도체 순도로 인해 실험 결과는 좋지 않았다.

제2차 세계 대전 이전에는 적외선 검출 및 통신 장치 연구가 황화납 및 셀렌화납 재료를 중심으로 진행되었다. 이 장치들은 선박, 항공기 탐지, 적외선 거리 측정, 음성 통신에 쓰였다. 접점식 결정 검파기는 당시 진공관이 4000MHz 이상에서 작동하지 못했기 때문에 마이크로파 무선 시스템에 필수적이었다. 전쟁 중에는 실리콘 재료 연구 개발이 이루어져 고품질 검출기 개발에 기여했다.^[39]

2. 1. 초기 반도체 소자

토마스 요한 제베크(Thomas Johann Seebeck)는 1821년에 반도체를 적용할 때 제베크 효과에 관한 실험 결과가 훨씬 강하게 나타나는 것을 처음으로 알아냈다.^[38] 1833년, 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 황화은 시료의 저항이 가열될 때 감소한다고 보고했다. 이는 구리와 같은 금속 물질의 거동과는 반대이다. 1839년, 알렉상드르 에드몽 베크렐(Alexandre Edmond Becquerel)은 빛에 의해 조사될 때 고체와 액체 전해질 사이에 전압이 발생하는 것을 관찰했는데, 이는 광기전 효과이다. 1873년, 윌로비 스미스(Willoughby Smith)는 셀레늄 저항기가 빛이 닿으면 저항이 감소하는 것을 관찰했다. 1874년, 카를 페르디난트 브라운(Karl Ferdinand Braun)은 금속 황화물에서 전도 및 정류를 관찰했지만, 이 효과는 1835년 ''Annalen der Physik und Chemie''에 기고한 피터 문크 아프 로젠셸트(sv)가 더 일찍 발견했다. 로젠셸트의 발견은 무시되었다.^[39] 사이먼 스제(Simon Sze)는 브라운의 연구가 반도체 소자에 대한 최초의 체계적인 연구라고 말했다.^[40] 역시 1874년, 아서 슈스터(Arthur Schuster)는 와이어에 있는 산화구리 층이 정류 특성을 가지고 있으며, 와이어를 청소하면 그 특성이 사라진다는 것을 발견했다. 윌리엄 그릴스 애덤스(William Grylls Adams)와 리처드 에반스 데이는 1876년에 셀레늄에서 광기전 효과를 관찰했다.^[41]

1880년 알렉산더 그레이엄 벨(Alexander Graham Bell)은 셀레늄의 광 감도를 사용하여 빛의 빔을 통해 소리를 전송했다. 1883년 찰스 프리츠(Charles Fritts)는 셀레늄으로 코팅된 금속판과 얇은 금층을 사용하여 낮은 효율의 작동하는 태양 전지를 제작했으며, 이 소자는 1930년대에 사진 조명계에서 상업적으로 유용해졌다.^[39] 1904년 자가디시 찬드라 보스(Jagadish Chandra Bose)는 황화납으로 만들어진 접점식 마이크로파 검파기 정류기를 사용했다. 고양이 수염 검파기는 라디오 개발에서 일반적인 장치가 되었으나, 작동이 다소 예측할 수 없었고 최상의 성능을 위해 수동 조정이 필요했다. 1906년, H.J. 라운드(H.J. Round)는 전류가 탄화규소 결정을 통과할 때 발광을 관찰했는데, 이는 발광 다이오드의 원리이다. 올레그 로세프(Oleg Losev)는 1922년에 유사한 발광을 관찰했지만 당시에는 실용적인 용도가 없었다. 1920년대에 산화구리와 셀레늄을 사용하는 전력 정류기가 개발되어 진공관 정류기의 대안으로 상업적으로 중요해졌다.^[41]^[39]

최초의 반도체 소자는 갈레나를 사용했는데, 여기에는 1874년 독일의 물리학자 페르디난트 브라운(Ferdinand Braun)의 결정 검파기와 1901년 인도의 물리학자 자가디시 찬드라 보스(Jagadish Chandra Bose)의 라디오 결정 검파기가 포함된다.^[44]^[45]

2. 2. 트랜지스터의 발명

존 바딘, 윌리엄 쇼클리와 월터 브래튼이 1947년에 개발한 바이폴라 점접촉 트랜지스터

1938년 벨 연구소의 윌리엄 쇼클리와 A. 홀든은 고체 증폭기 개발을 시작했다.^[39] 1941년경 러셀 오는 한쪽 끝에는 p형 불순물, 다른 쪽 끝에는 n형 불순물이 있는 뚜렷한 경계를 가진 시료를 발견했고, 이 시료에서 p-n 경계 부분을 잘라낸 조각은 빛에 노출되었을 때 전압을 발생시켰다.^[39]

최초로 작동한 트랜지스터는 1947년 벨 연구소의 존 바딘, 월터 하우저 브래튼 및 윌리엄 쇼클리가 발명한 점접촉 트랜지스터였다.^[47] 쇼클리는 이전에 게르마늄과 실리콘으로 만들어진 전계 효과 증폭기를 이론화했지만, 게르마늄을 사용해 점접촉 트랜지스터를 발명하기 전까지는 작동하는 장치를 만들지 못했다.^[47]

1948년 6월 26일 윌리엄 쇼클리는 바이폴라 트랜지스터의 특허를 출원했다.

프랑스에서는 전쟁 중 허버트 마타레가 게르마늄 기판의 인접한 점 접촉 사이에서 증폭을 관찰했다. 전쟁 후 마타레의 그룹은 벨 연구소가 "트랜지스터"를 발표한 직후 "트랜시스트론" 증폭기를 발표했다.

1954년 벨 연구소에서 물리화학자 모리스 타넨바움이 최초의 실리콘 접합 트랜지스터를 제작했다.^[48] 그러나 초기 접합 트랜지스터는 제조가 어려운 비교적 부피가 큰 장치였기 때문에 특수한 응용 분야에만 제한되었다.^[49]^[50]

3. 반도체 물리의 기초

반도체는 도체와 부도체의 중간적인 전기적 성질을 가지는 물질이다. 이러한 성질은 반도체 내부의 독특한 에너지 구조, 즉 띠구조에 의해 결정된다.

반도체는 절대 영도에서는 전자가 원자가띠에 꽉 차 있어서 전류가 흐르지 않는다. 하지만 온도가 올라가면 일부 전자가 에너지를 얻어 전도띠로 이동하여 전류를 흐르게 할 수 있다. 이때 전자가 빠져나간 자리는 양공(정공)이라고 불리는 빈자리가 생기는데, 이 양공도 전하를 운반하는 역할을 한다.

반도체와 도체의 가장 큰 차이점은 전류가 흐를 때 전자와 양공이 모두 전하 운반체 역할을 한다는 것이다. 반면, 금속에서는 페르미 준위가 전도띠 안에 있어서 전자가 적은 에너지로도 쉽게 이동할 수 있어 전자만이 전하 운반에 기여한다.

반도체에서 전자가 얼마나 쉽게 전도띠로 이동하는지는 띠틈(밴드 갭)의 크기에 따라 달라진다. 띠틈은 전자가 채워진 원자가띠와 전자가 비어있는 전도띠 사이의 에너지 차이를 의미한다. 일반적으로 띠틈이 2 eV 이하인 물질을 반도체, 그 이상을 부도체로 분류한다.

반도체는 불순물의 첨가 여부에 따라 '''고유 반도체'''와 '''비고유 반도체'''로 나뉜다.

'''고유 반도체'''는 불순물이 거의 없는 순수한 반도체로, 전자와 정공의 수가 같다.
'''비고유 반도체'''는 운반자의 종류와 개수를 조절하기 위해 불순물을 첨가한 반도체이다. 불순물의 종류에 따라 N형 반도체와 P형 반도체로 나뉜다.

불순물을 첨가하는 과정을 '''도핑'''이라고 하며, 도핑을 통해 반도체의 전도도를 크게 변화시킬 수 있다.

'''N형 반도체''': 실리콘(Si)과 같이 원자가 전자가 4개인 반도체에 인(P)이나 비소(As)와 같이 원자가 전자가 5개인 불순물을 첨가하면, 남는 전자가 자유롭게 움직여 전류를 흐르게 한다.
'''P형 반도체''': 실리콘에 붕소(B)나 알루미늄(Al)과 같이 원자가 전자가 3개인 불순물을 첨가하면, 전자가 부족하여 양공이 생성되고, 이 양공이 전하를 운반한다.

도핑된 반도체에서 다수 운반자의 농도는 도핑 농도에 따라 결정되며, 다수 운반자 농도와 소수 운반자 농도의 곱은 항상 일정하다.

:

n_{i}^2 = n_{0}p_{0}

$n_{i}$ = 고유 운반자 농도
$n_{0}$ = 비고유반도체에서 전자의 농도
$p_{0}$ = 비고유반도체에서 양공의 농도

3. 1. 반도체의 띠구조

반도체는 절대 영도에서 가장 높은 원자가띠가 전자로 완전히 채워져 있는 고체이다. 전자의 페르미 에너지는 금지된 띠틈에 위치한다.

실온에서는 전자의 분포가 약간 흐트러지면서 일부 전자가 에너지 띠간격을 넘어 전도띠로 이동한다. 충분한 에너지를 얻은 전자는 이웃 원자와의 공유결합을 끊고 자유롭게 이동하며 전하를 운반한다. 전자가 빠져나간 공유결합은 전자가 부족해지는데, 이를 양공이라고 한다. 양공은 주변 전자가 이동하여 채워지면서 마치 양공 자체가 이동하는 것처럼 보인다.

반도체와 도체의 주요 차이점은 반도체에서는 전류가 흐를 때 전자와 양공이 모두 이동한다는 것이다. 반면 금속은 페르미 준위가 전도띠 안에 있어 전자가 적은 에너지로도 쉽게 이동할 수 있다.

반도체에서 전자가 가전자대에서 전도띠로 얼마나 쉽게 이동하는지는 띠틈의 크기에 달려있다. 이 띠틈의 크기가 반도체와 부도체를 구분하는 기준이 된다. 일반적으로 띠틈이 2 eV 이하인 물질은 반도체, 그 이상은 부도체로 간주한다.

물질에서 전류를 흐르게 하는 전자는 보통 "자유전자"라고 불린다. 가전자대의 양공은 양전하 입자처럼 행동하므로, 실제로 대전된 입자로 간주한다.^[21]

반도체의 띠구조. 페르미 준위는 금지된 띠틈 (전도띠와 원자가띠 사이) 속에 있다.

3. 2. 고유 반도체와 비고유 반도체

'''고유 반도체'''는 불순물이 거의 없는 순수한 반도체를 말한다. 고유 반도체에서는 열이나 빛에 의해 전자가 가전자대에서 전도띠로 이동하여 전자와 정공이 같은 수로 존재한다. 전자와 정공은 전기장에서 반대 방향으로 이동하지만, 이들이 띠는 전하가 다르기 때문에 전류의 방향은 같다. 그러나 전자의 유효 질량과 정공의 유효 질량이 다르기 때문에 전류의 크기는 같지 않다.^[26]

고유 반도체의 운반자 농도는 온도에 따라 크게 달라진다. 낮은 온도에서는 원자가띠가 전자로 가득 차 절연체와 같은 상태가 된다. 온도가 높아지면 운반자 수가 증가하여 전도도가 증가하는데, 이러한 원리는 서미스터에 사용된다. 이는 온도가 높아지면 포논 산란으로 인해 전기 전도도가 낮아지는 금속과는 다른 특성이다.^[27]

'''비고유 반도체'''는 운반자의 종류와 개수를 조절하기 위해 불순물을 첨가한 반도체이다. 불순물에 따라 N형과 P형으로 나뉜다.^[28]

반도체에 제어된 불순물을 첨가하는 과정을 '''도핑'''이라고 한다. 도펀트의 양에 따라 전도도 수준이 달라지며, 도핑된 반도체를 '''비고유 반도체'''라고 한다.^[29] 불순물을 첨가하면 전기 전도도는 수천 배에서 수백만 배까지 증가할 수 있다.^[30]

금속 1 cm³에는 약 10²²개의 원자가 있고, 각 원자는 전도에 기여하는 자유 전자를 제공한다. 따라서 금속 1 cm³에는 약 10²²개의 자유 전자가 있다.^[31] 반면, 20°C에서 순수한 게르마늄 1 cm³에는 약 4.2x10²²개의 원자가 있지만, 자유 전자는 2.5x10¹³개, 정공은 2.5x10¹³개뿐이다. 비소 0.001%를 첨가하면 동일 부피에 자유 전자가 10¹⁷개 추가되어 전기 전도도가 10,000배 증가한다.^[32]^[33]

도펀트는 전자 수용체 또는 주개로 분류된다. ''주개'' 불순물로 도핑된 반도체는 ''n형'', ''수용체'' 불순물로 도핑된 반도체는 ''p형''이라고 한다. n형과 p형은 어떤 전하 운반체가 다수 캐리어 역할을 하는지 나타낸다. 소수 캐리어는 다수 캐리어보다 훨씬 낮은 농도로 열 여기로 인해 존재한다.^[34]

실리콘의 경우, III족 원소(붕소 등)는 3개의 원자가 전자를 가져 수용체 역할을 한다. 수용체 원자가 실리콘 원자를 대체하면 정공이 생성되어 전하 운반체 역할을 한다. V족 원소(인 등)는 5개의 원자가 전자를 가져 주개 역할을 하며, 실리콘을 대체하면 여분의 자유 전자가 생성된다. 붕소로 도핑된 실리콘은 p형, 인으로 도핑된 실리콘은 n형 반도체가 된다.^[35]

제조 과정에서 도펀트는 기체 화합물 형태로 반도체에 확산되거나, 이온 주입을 통해 정밀하게 배치될 수 있다.

불순물이 전혀 없는 반도체는 진성반도체라고 하며, 페르미 준위가 금지대 중앙에 위치한다. 진성반도체는 전자 회로에 사용하기 어렵기 때문에, 도펀트를 섞어 불순물 반도체로 만든다. 도핑을 통해 전하 운반자(캐리어)인 전자 또는 정공의 밀도를 변화시킨다. 전자가 우세한 반도체를 n형 반도체, 정공이 우세한 것을 p형 반도체라고 한다. 우세한 캐리어를 '''다수 캐리어''', 열세인 캐리어를 '''소수 캐리어'''라고 한다.

3. 3. N형 도핑

N형 도핑은 반도체에 전자를 많이 만들어 전도도를 높이는 방법이다. 실리콘(Si)을 예로 들면, 실리콘은 원자가 전자가 4개인데, 여기에 원자가 전자가 5개인 인(P), 비소(As) 등을 도펀트로 첨가한다. 그러면 4개의 전자는 공유결합에 사용되고 남은 1개의 전자는 쉽게 전도띠로 올라가 자유롭게 움직일 수 있게 된다.^[35]

'''n형 반도체'''
실리콘(Si)에 인(P)을 도핑한 예이다. 5개의 빨간 원이 인에서 유래한 원자가전자이다. 하나만 남은 e^-라고 적힌 전자가 전하의 운반체가 되어 결정 내에서 움직인다.

이때 전자는 양공을 만들지 않기 때문에, N형 도핑을 하면 전자가 다수 운반자가 되고 양공은 소수 운반자가 된다. 전자를 5개 가진 원자는 여분의 전자를 내놓기 때문에 'donor 원자'라고 불린다.^[33]

N형 반도체에서 전자는 불순물 이온에서 멀리 떨어지지 않고 약하게 속박되어 있지만, 게르마늄의 경우 전자 속박 에너지가 -0.01 eV 정도로 매우 낮고, 보어 반지름은 4.2 nm 정도로 크기 때문에 상온에서 쉽게 속박을 벗어나 자유롭게 움직일 수 있다.

3. 4. P형 도핑

실리콘(Si)에 붕소(B)를 도핑한 예.]]

P형 반도체는 전압이 가해지면 정공의 이동에 의해 전하가 운반되는 반도체이다. P형 반도체는 원자가가 적은 원소를 도핑하여 만들어진다. 예를 들어, 실리콘(4가) 결정에 붕소와 같은 3가 원자를 섞으면 P형 반도체가 된다.

전자가 전도대 쪽으로 이동하여 원자가대 쪽의 전자가 부족해지면서 생기는 전자 궤도상의 빈 공간이 정공이다. 결정의 원자들 사이의 자유 전자가 이웃하는 정공으로 이동함으로써 정공의 위치는 자유롭게 이동할 수 있으며, 전압에 따라 전자와 반대 방향으로 흐른다. 이때 정공의 이동도는 전자에 비해 낮다.

밴드 구조로 설명하면, 도펀트 원자는 금지대 하단 부근에 억셉터 준위라고 불리는 빈 준위를 형성한다. 이 억셉터 준위로 원자가대에서 열에너지에 의해 가전자가 여기됨으로써 원자가대에 정공이 생성된다. 페르미 준위는 금지대 내의 억셉터 준위에 가까운 위치가 된다.

3. 5. 운반자 농도

반도체에 도핑을 하면, 도핑 농도에 따라 다수 운반자의 농도가 '''고유 운반자 농도'''(고유 반도체에서의 운반자 농도)보다 증가한다. 하지만 도핑된 반도체의 다수 운반자 농도와 소수 운반자 농도를 곱하면, 고유 운반자 농도의 제곱이 되는 것은 변하지 않는다. 예를 들어 어떤 온도에서 고유 운반자(전자와 양공) 농도가 1013라고 해 보자. 만약에 N형으로 도핑된 농도가 1016라면, 양공의 농도는 1010가 된다. 그렇다면, 다수 운반자의 농도는 사실상 도핑 농도에 따라 결정되기 때문에 소수 운반자의 농도도 도핑 농도에 의해 영향을 받는다는 것을 쉽게 알 수 있다.

:

n_{i}^2 = n_{0}p_{0}

::

n_{i}

= 고유 운반자 농도

::

n_{0}

= 비고유반도체에서 전자의 농도

::

p_{0}

= 비고유반도체에서 양공의 농도

4. 반도체의 특성

반도체는 다음과 같은 특성을 가진다.

가변 전기 전도성: 도핑이나 게이팅으로 도체처럼 작동하도록 만들 수 있다. n형은 전자가 과잉된 상태이고, p형은 전자가 부족한 상태이다.
여기된 전자: 전기적 위치 에너지 차이로 열평형 상태가 깨지면 전자와 정공이 발생하여 쌍극 확산으로 상호 작용한다. 온도나 광자에 의해 열평형이 깨지면 정공과 전자의 수가 변하며, 이 과정을 생성 및 재결합이라고 한다.^[8]
발광: 특정 반도체에서는 여기된 전자가 열 대신 빛을 방출한다.^[10] 이는 발광 다이오드 등에 사용된다.
열전 효과: 열전 성능 지수가 높아 열전 발전기 및 열전 냉각기에 유용하다.^[15] 열전도율이 높은 반도체는 전자기기의 열 방출 및 열 관리에 사용될 수 있다.^[12]^[13]^[14]

4. 1. 가변 전기 전도성

반도체는 도핑이나 게이팅과 같은 방법으로 도체처럼 작동하도록 만들 수 있다. 이러한 변형은 '''n형'''과 '''p형'''이라는 두 가지 결과를 낳는데, 이는 각각 전자의 과잉 또는 부족을 의미한다. 균형 잡힌 수의 전자가 있다면 재료 전체에 전류가 흐르게 된다.^[8]

도핑은 도펀트를 섞어 불순물 반도체를 만드는 방법으로, 이를 통해 반도체의 전하 운반자(캐리어)인 전자 또는 정공의 밀도를 변화시킬 수 있다. 전도 현상을 지배하는 캐리어로서 전자가 우세한 반도체를 n형 반도체, 정공이 우세한 것을 p형 반도체라고 부른다. 우세한 캐리어를 '''다수 캐리어''', 반대로 열세인 캐리어를 '''소수 캐리어'''라고 부른다. n형 반도체에서 다수 캐리어는 전자이고, 소수 캐리어는 정공이다. p형 반도체에서 다수 캐리어는 정공이고, 소수 캐리어는 전자이다.

4. 2. 여기된 전자

반도체 물질에 전기적 위치 에너지 차이가 존재하면 열적 평형 상태가 깨지고 비평형 상태가 만들어진다. 이는 전자와 정공을 발생시키며, 이들은 쌍극 확산을 통해 상호 작용한다. 온도 차이나 광자에 의해 열적 평형이 깨지면 정공과 전자의 수가 변한다. 전자와 정공을 생성하거나 소멸시키는 과정을 각각 생성과 재결합이라고 한다.^[8]

전도대 하단의 상태가 부분적으로 채워지는 것은 전자가 추가되었기 때문으로 이해할 수 있다. 전자는 열 재결합으로 인해 무기한 머무르지 않지만, 일정 시간 동안 이동할 수 있다. 전자의 실제 농도는 매우 희박하여, 반도체 전도대의 전자를 파울리 배타 원리의 영향을 받지 않는 고전적인 이상 기체처럼 생각할 수 있다. 이 전자는 유효 질량을 가지지만 진공 상태와 같이 전기장, 자기장 등에 반응한다.^[23] 드루드 모형과 같은 단순한 방식으로 전도를 이해하고, 전자 이동도 개념을 도입할 수 있다.

가전자대 상단이 부분적으로 채워진 경우, 전자-정공 개념을 도입하는 것이 유용하다. 완전히 채워진 가전자대는 전류를 전도하지 않지만, 전자가 제거되면 전하가 없는 궤적이 생긴다. 이를 양전하를 띤 입자가 빈 대역에서 움직이는 것으로 생각할 수 있다. 이 입자는 정공이라 불리며, 양의 유효 질량을 갖고 진공 상태의 양전하 입자처럼 전기장과 자기장에 반응한다.

전리 방사선이 반도체에 입사하면 전자가 에너지 준위에서 여기되어 정공이 남는다. 이를 전자-정공 쌍 생성이라고 한다. 외부 에너지원이 없어도 열에너지로 인해 전자-정공 쌍이 계속 생성된다.

전자-정공 쌍은 재결합하기도 한다. 에너지 보존 법칙에 따라 전자가 밴드갭보다 큰 에너지를 잃는 재결합은 열에너지(포논 형태)나 방사선(광자 형태) 방출을 동반해야 한다.

생성과 재결합은 평형을 이루기도 한다. 주어진 온도에서 정상 상태의 전자-정공 쌍의 수는 양자 통계 역학에 의해 결정된다. 생성과 재결합의 양자 역학적 메커니즘은 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙에 의해 지배된다.

전자와 정공이 만날 확률은 그 수의 곱에 비례한다. 따라서 전기장이나 외부 구동 쌍 생성이 없다면, 정상 상태에서 그 곱은 주어진 온도에서 거의 일정하다. 이 곱은 온도의 함수이며, 쌍 생성 확률은 온도에 따라 증가한다.

캐리어 트랩(불순물이나 전위)은 만날 확률을 높인다. 이러한 캐리어 트랩은 정상 상태 도달 시간을 줄이기 위해 의도적으로 추가되기도 한다.^[25]

4. 3. 발광

특정 반도체에서는 여기된 전자가 열을 발생시키는 대신 빛을 방출하여 완화될 수 있다.^[10] 반도체 조성과 전류를 제어하면 방출되는 빛의 특성을 조절할 수 있다.^[11] 이러한 반도체는 발광 다이오드와 형광 양자점의 제작에 사용된다.

4. 4. 열전 효과

반도체는 열전 성능 지수가 높아 열전 발전기 및 열전 냉각기에 유용하다.^[15] 열전도율이 높은 반도체는 전자기기의 열 방출 및 열 관리 개선에 사용될 수 있으며, 전기 자동차, 고휘도 LED, 전력 모듈 등 다양한 응용 분야에서 중요한 역할을 한다.^[12]^[13]^[14]

5. P-N 접합

P형 반도체와 N형 반도체를 인접하게 도핑하면 PN 접합을 만들 수 있다. P형 반도체에 +바이어스 전압을 걸어주면 P형 반도체의 다수 운반자(양공)가 접합면 쪽으로 밀려가고, N형 반도체의 다수 운반자(전자)도 접합면 쪽으로 끌려가 접합면이 도체와 같은 성질을 띠게 되어 전류가 흐른다. 양공과 전자가 만나면 전자가 양공으로 들어가 공유결합을 이룬다. 바이어스 전압이 반대로 걸리면 양공과 전자는 접합면으로부터 서로 밀려나 접합면 주위에 운반자가 거의 없는 공핍영역이 된다. 역방향 바이어스 전압은 접합면에 전류가 아주 조금만 흐르게 한다. P-N 접합은 전류가 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 다이오드 소자의 원리이다.^[9] P-N-P 또는 N-P-N 형태로 접합하여 단자가 3개 있는 소자를 만들 수 있는데, 이를 BJT(bipolar junction transistor|바이폴라 접합 트랜지스터^영어)라고 한다.^[5]^[8]

6. 반도체 재료

실리콘 결정은 마이크로전자공학 및 태양광 발전에 사용되는 가장 일반적인 반도체 물질이다.

다수의 원소와 화합물이 반도체 특성을 가진다.^[16]

주기율표의 14족에 있는 특정 순수 원소: 실리콘과 저마늄이 대표적이다. 이들은 최외각 전자껍질에 4개의 원자가 전자를 가지고 있어 전자를 얻거나 잃을 수 있는 능력을 동시에 제공한다.
이성분 화합물: 13족과 15족 원소 사이의 화합물(예: 갈륨 비소), 12족과 16족 원소 사이의 화합물, 14족과 16족 원소 사이의 화합물, 그리고 서로 다른 14족 원소 사이의 화합물(예: 탄화규소) 등이 있다.
특정 삼원 화합물, 산화물 및 합금.
유기 화합물로 만들어진 유기 반도체.
반도체 금속-유기 골격체.^[17]^[18]

가장 일반적인 반도체 물질은 결정성 고체이지만, 비정질 및 액체 반도체도 알려져 있다. 수소화 비정질 실리콘과 다양한 비율의 비소, 셀레늄, 텔루륨의 혼합물이 그 예시이다. 이들은 중간 전도도, 온도에 따른 전도도의 급격한 변화, 때로는 음의 저항과 같은 특성을 공유하며, 박막 구조에 사용된다.

반도체는 전기 전도성이 좋은 도체와 전기 저항률이 큰 부도체의 중간적인 저항률을 갖는 물질이다. 실리콘, 게르마늄, 갈륨비소, 갈륨인, 인듐인 등이 대표적인 반도체이다. 반도체의 특징은 고체의 띠이론으로 설명되며, 가전자대는 전자로 채워져 있지만 전도대는 비어있는 물질로 정의된다.

반도체 재료는 다음과 같다:

종류	예시
IV족 반도체	Si, Ge, 풀러렌, 탄소나노튜브 등
화합물 반도체
	II-VI족 반도체: ZnSe, CdS, ZnO 등
	III-V족 반도체: GaAs, InP, GaN 등
	IV족 화합물 반도체: SiC, SiGe 등, I-III-VI족 반도체: CuInSe₂ 등 칼코파이라이트계 반도체
기타	유기 반도체, 전도성 고분자

6. 1. 반도체 재료 준비

반도체가 예측 가능하고 신뢰할 만한 전기적 특성을 가지도록 대량 생산하는 것은 어렵다. 이를 위해서는 높은 화학적 순도와 완벽한 결정 구조가 필요하다. 아주 작은 불순물도 반도체의 성질을 크게 변화시키기 때문에 매우 높은 화학적 순도가 요구된다. 이러한 높은 화학적 순도를 달성하기 위해 zone refining과 같은 방법이 사용된다.^[8]

또한 높은 결정 완전성이 요구된다. 전위, 쌍정, 적층 결함과 같은 결정 구조의 결함은 재료의 반도체 특성을 방해하기 때문이다. 결정 결함은 불량 반도체 소자의 주요 원인이 된다. 결정이 클수록 필요한 완전성을 달성하기 어렵다. 현재 대량 생산 공정에서는 직경이 100mm에서 300mm인 결정 잉곳을 사용하며, 이는 원통형으로 성장시켜 웨이퍼로 절단한다. 이러한 웨이퍼의 원형 모양은 일반적으로 초크랄스키법을 사용하여 생산되는 단결정 잉곳에서 유래한다. 실리콘 웨이퍼는 1940년대에 처음 도입되었다.^[19]^[20]

집적 회로(IC)용 반도체 재료를 준비하는 데는 여러 공정이 결합되어 사용된다.

열 산화: 실리콘 표면에 이산화규소를 형성한다. 이는 게이트 절연막 및 필드 산화막으로 사용된다.
포토리소그래피: 포토마스크를 사용하여 집적 회로의 회로에 패턴을 생성하는 공정이다. 자외선과 포토레지스트 층을 함께 사용하여 화학적 변화를 일으켜 회로 패턴을 생성한다.^[8]
식각: 이전 단계의 포토레지스트 층으로 덮이지 않은 실리콘 부분을 식각한다. 현재 일반적으로 사용되는 주요 공정은 플라즈마 식각이다. 플라즈마 식각은 일반적으로 저압 챔버에 식각 가스 (클로로플루오로카본 또는 프레온)를 주입하여 플라즈마를 생성한다. 음극과 양극 사이의 높은 고주파 전압이 챔버 내 플라즈마를 생성한다. 실리콘 웨이퍼는 음극에 위치하며, 이로 인해 플라즈마에서 방출되는 양으로 대전된 이온의 충격을 받는다. 그 결과 실리콘이 이방성으로 식각된다.^[5]^[8]
확산(도핑): 반도체 재료에 원하는 반도체 특성을 부여하는 공정이다. 불순물 원자를 시스템에 도입하여 pn 접합을 생성한다. 실리콘 웨이퍼에 불순물 원자가 삽입되도록 웨이퍼는 먼저 섭씨 1,100도의 챔버에 넣는다. 원자가 주입되어 결국 실리콘과 확산된다. 공정이 완료되고 실리콘이 상온에 도달하면 도핑 공정이 완료되고 반도체 웨이퍼가 거의 준비된다.^[5]^[8]

6. 2. 원자층 반도체 소자

'''그래핀'''(graphene)은 탄소 원자와 그 결합으로 이루어진 벌집 모양의 육각형 격자 구조를 가지는 얇은 막으로, 높은 강도와 열전도율, 전기 전도도를 가진다. 그 두께는 불과 0.142nm이며, 다이아몬드보다 탄소 원자 간 결합이 더 강하고, 평면 내에서는 다이아몬드보다 강한 물질로 여겨진다. 물리적으로도 매우 강하며, 세계에서 가장 인장 강도가 높다. 열전도율과 전기 전도도 또한 최상위권에 속하는 물질이다. 이러한 특성으로 인해 원자층 반도체 소자(原子層半導体デバイス)로의 활용이 기대된다.

7. 반도체 산업

1821년 토머스 제벡(Thomas Seebeck)이 열전 변환 효과를 발견한 것을 시작으로, 여러 과학자들이 반도체의 특성을 발견했다. 1839년 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 황화은의 도전율 변화를, 알렉상드르 에드몽 베크렐(Alexandre Edmond Becquerel)은 광전 효과를 발견했다. 1873년에는 셀레늄의 전기 저항 감소 현상이, 1874년에는 황화 금속의 도전율과 정류 작용이 관측되었다. 1876년에는 셀레늄의 광전 효과가 관측되었고, 1878년에는 홀 효과가 발견되었다.

초기 반도체 소자는 이론이 확립되기 전이라 시행착오를 통해 제작되었다. 1880년 알렉산더 그레이엄 벨(Alexander Graham Bell)은 셀레늄을 광선 전화에 사용했고, 1883년 찰스 프리츠(Charles Fritts)가 태양전지를 제작했다. 1904년 자가디시 찬드라 보스(Jagadish Chandra Bose)가 황화납을 사용한 검파기를 제작했다.

1906년 H. J. 라운드(H. J. Round)는 탄화규소 결정에서 발광 현상을 관측하여 발광 다이오드의 원형이 되었다. 1920년대에는 산화구리와 셀레늄을 사용한 전력 정류기가 개발되었다. 제2차 세계 대전 전에는 적외선 검출과 광 무선 통신을 위한 소자가 연구되었고, 마이크로파 대역 레이더 수신 장치에는 점접촉 검파기가 사용되었다.

1926년 율리우스 에드거 릴리엔펠트(Julius Edgar Lilienfeld)가 전계 효과 트랜지스터 특허를 취득했지만, 당시에는 실현되지 않았다. 1935년 O. 하일(O. Heil)은 MOSFET과 유사한 소자 특허를 출원했다. 1938년 R. 힐슈(R. Hilsch)와 R. W. 포흘(R. W. Pohl)은 KBr 결정과 Pt 전극을 사용한 소자에서 증폭을 확인했지만, 차단 주파수가 낮아 실용적이지 않았다.

1947년 벨 연구소에서 게르마늄 트랜지스터 증폭 작용이 확인되었고, 1948년에 특허가 출원되었다. 같은 해 프랑스에서는 Transistron^영어 증폭기가 발표되었다. 1948년 윌리엄 쇼클리(William Shockley)는 바이폴라 트랜지스터 특허를 출원했다.

일본에서는 1948년 트랜지스터 연구가 시작되었고, 1950년에는 점접촉형 트랜지스터 시제작에 성공했다. 1952년 제프리 다머(Geoffrey Dummer)가 집적 회로 개념을 발표했지만, 당시 기술로는 실현되지 못했다. 1959년 텍사스 인스트루먼츠의 잭 킬비(Jack Kilby)와 페어차일드 세미컨덕터의 로버트 노이스(Robert Noyce)가 각각 집적 회로 특허를 출원했다.

1954년 일본에서 합금 접합형 및 성장 접합형 게르마늄 트랜지스터가 발매되었고, 에사키 레오나(江崎玲於奈)가 에사키 다이오드를 개발했다. 1959년 페어차일드 세미컨덕터에서 플래너 기술이 개발되었다.

미일 반도체 협정으로 인해 일본 반도체 산업은 급격한 변화를 겪었다.

7. 1. 일본의 반도체 산업

일본은 1980년대에 반도체 산업을 주도했지만, 미일 반도체 협정 등을 거치며 경쟁력을 잃었다. 최근에는 일본 정부가 반도체 산업 부흥을 위한 정책을 추진하고 있다. 소재, 부품, 장비 분야에서는 여전히 강점을 가지고 있다.

1985년에는 세계 반도체 제조업체 매출 상위 10개사 중 6개사가 일본 기업이었다.

참조

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