[기초물리] 4-1 반도체

물질의 상태(기체, 액체, 고체) 중 고체는 원자들이 많이 모여 구성된 물질입니다. 에너지 준위들이 서로 겹쳐져 에너지 띠의 형태로 나타납니다. 이 에너지 띠의 구조에 따라 고체의 성질이 달라지는데, 에너지 띠에 따른 고체의 전기 전도성에 대해 알아보도록 하겠습니다.

옴의 법칙은 알고 있을 것입니다. 물질에 흐르는 전류의 세기는 걸리는 전압에 비례합니다. 전류의 흐름을 방해하는 것이 저항입니다. 물체의 저항은 길이에 비례하고 단면적에 반비례합니다. 이때 비례 상수를 비저항이라고 합니다. 모양과 크기가 같더라도 비저항에 따라 전기 저항이 달라지므로 비저항은 물질의 전기적 특성을 나타냅니다.

물체의 비저항이 작으면 전기가 잘통하게 되는데 이러한 물체를 도체라고 합니다. 도체에는 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 많이 있습니다. 일반적으로 도체의 전기 저항은 온도가 높아질수록 커집니다. 이것은 도체 내부의 (+) 전하가 온도가 높아짐에 따라 열운동이 활발해지므로 자유 전자가 이동할 때 충돌이 증가하여 자유전자의 이동을 방해하기 때문입니다.

비저항이 커서 전기가 잘 통하지 않는 물질을 절연체 또는 부도체라고 합니다. 절연체 내부에는 자유 전자가 거의 없어 전기장이 형성되어도 전류가 흐르지 않습니다. 전류가 잘 흐르는 정도가 도체와 절연체의 중간 정도인 물질을 반도체라고 합니다. 흔히 쓰이는 반도체로는 실리콘(Si), 저미늄(Ge), 비소화갈륨(GaAs)의 단결정들이 있습니다. 컴퓨터, 휴대전화 등에 사용하는 전기 소자들은 전기가 잘 통하지만 반도체로 만들기 때문에 도체가 아닌 반도체라고 합니다. 반도체는 특이하게 온도가 높아질수록 비저항이 감소하는 특징이 있습니다.

이와 같은 물체의 비저항이 다른 이유는 전자의 이동성 때문입니다. 원자핵 주위의 전자는 원자핵의 전자기력에 의해 벗어나지 못하고 원자핵 주위를 회전하는데, 이 상태의 전자를 속박 전자라고 합니다. 속박 전자의 에너지 준위는 기체인 경우 원자들이 서로 멀리 떨어져 있어 에너지 준위가 듬성듬성 구성되어 있지만 고체인 경우 원자 사이의 간격이 매우 가까워 전자 궤도들이 서로 겹치게 되므로 에너지 준위는 연속적인 띠의 형태를 나타냅니다. 고체에서 전자는 에너지 띠의 영역에서만 존재할 수 있는데 이를 허용된 띠라고 부릅니다. 허용된 띠 사이에는 어떤 전자도 존재할 수 없는 간격을 띠 틈, 띠 간격, 에너지 간격이라고 합니다. 제일 바깥쪽 전자가 있는 에너지 띠를 원자가띠라고 하고 원자 가띠에 있던 전자가 에너지를 흡수하면 더 많은 에너지를 갖게 되어 전이하게 되는데, 이때 원자가띠의 위에 있는 에너지 띠를 전도 띠라고 합니다.

고체에 전자기 에너지나 열에너지를 가하여 에너지가 원자가띠에 있는 전자를 띠틈을 뛰어넘어 전도 띠로 보낼 수 있을 정도가 되면 전자는 전도 띠로 전이합니다. 이때 띠틈을 넘어갈 수 있는 에너지의 크기에 따라 도체, 절연체, 반도체로 구분하게 되는 것이죠. 도체는 띠틈이 작아 전자들이 자유롭게 이동을 하고 절연체는 띠틈의 폭이 커서 이동이 힘듭니다. 반도체는 고온에서는 도체, 상온에서는 도체와 절연체의 중간적인 성향, 저온에서는 절연체와 같습니다. 반도체는 순수 반도체와 불순물 반도체로 구분됩니다. 순수 반도체 물질은 최외각에 있는 전자를 서로 공유를 하여 안정적인 상태를 유지합니다. 전자를 공유하므로 자유 전자가 없어진 물질은 전압을 걸어도 절연체와 같이 전류가 흐르지 않습니다. 그러나  순수 반도체에 불순물을 넣어 전류가 흐를 수 있게 만들어진 반도체를 불순물 반도체라고 합니다. 불순물을 많이 넣을수록 부족한 전자의 개수와 남는 전자의 개수가 많아져 불순물 반도체은 전류가 잘 흐르게 됩니다.

순수 반도체에 불순물을 첨가하는 과정을 도핑이라고 합니다. 이 불순물의 종류에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 구분되는 것입니다.

n형 반도체는 인(P)과 같이 원자가 전자가 5개인 불순물로 n형 도핑을 하면 전류를 흐르게 하는 전도 전자가 만들어집니다. 이 여분의 전자는 원자에 약하게 구속되어 있어 쉽게 전도 띠로 올라가 전류를 흐르게 하는 것입니다. p형 반도체는 붕소(B)와 같이 원자가 전자가 3개인 불순물로 p형 도핑을 하면 전류를 흐르게 하는 전자가 들어갈 수 있는 공간인 양공(전자가 없는 공간)이 만들어집니다. 원자는 주변의 원자에서 1개의 전자를 가져올 수 있기 때문에 전류가 흐릅니다. 이 반도체의 n형과 p형으로 우리는 전류를 특정 방향으로 흐르게 하는 물질을 만들 수 있습니다. 반도체를 이용하여 만든 다이오드는 순방향 전압과 역방향 전압에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않습니다.

p-n접합 다이오도의 p형 반도체 쪽에 (+) 극을 연결하고, n형 반도체 족에 (-) 극을 연결하면 다이오드 가운데에 양공과 전자가 같이 있을 수 있는 영역이 생깁니다. 이때 p형 반도체의 양공으로 전자가 이동하게 되는데, 이를 통해 전류가 흐르게 됩니다. 이때의 전압을 순방향 전압이라고 합니다. 반대로 p형 반도체 쪽에 (-) 극을 연결하고 n형 반도체 쪽에 (+) 극을 연결하면, 양공과 전자가 양 끝으로 멀어지게 됩니다. 이때 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 부위에는 양공과 자유 전자가 없어 양공으로 자유전자가 이동하지 못해 전류가 흐르지 못합니다. 이러한 성질을 이용하여 교류를 직류로 바꾸는 기능을 다이오드의 정류작용이라고 합니다. 

전류가 흐를 때 빛을 방출하는 다이오드를 발광 다이오드라고 합니다. p-n 접합 반도체의 전자가 양공으로 이동할 때 자유 전자가 전이하면서 에너지 준위의 차이가 생기고 에너지 차이만큼 에너지가 나오게 됩니다. 이때 에너지가 빛의 형태로 방출이 됩니다. 발광 다이오드 제작에 사용하는 반도체의 재료에 따라 p층과 n층 사이의 에너지 준위 차도 다르므로 방출하는 빛의 색깔을 다르게 할 수 있습니다.

발광 다이오드와 반대로 p-n 접합에 빛을 비추면 전류가 발생하는 소자를 광 다이오드라고 합니다. TV의 리모컨은 발광 다이오드로 전외선을 방출하고 TV의 수신부는 광 다이오드로 적외선을 검출하여 전류를 만들어 그 신호로 TV를 조작 할 수 있습니다.

다른 반도체 소자는 트랜지스터가 있습니다. 트랜지스터는 증폭 작용과 스위치 역할을 하는 반도체 소자입니다. 트렌지스터는 p-n 접합 다이오드에 p형 반도체 n형 반도체를 추가로 접합하여 만들며, p-n-p형과 n-p-n형이 있습니다. 트랜지스터는 중앙의 좁은 영역인 베이스(Base)와 베이스의 순방향 전압을 걸어주는 이미터(Emitter), 베이스와 역방향 전압을 걸어 이미터에서 방출된 전하를 모으는 컬렉터(Collector)로 구성되어 있습니다. 트랜지스터 내부에서 베이스와 컬렉터 사이에는 역방향으로 전압이 걸리기 때문에 전류가 흐르기 힘듭니다. 그러나 이미터와 베이스 사이에 순방향 전압이 걸려 전류가 흐르게 되면 베이스와 컬렉터 사이에도 전류가 흐르게 됩니다. 이는 이미터와 베이스 사이에서 이동하는 양공이 베이스를 지나 컬렉터가 있는 회로로 흐를 수 있게 되기 때문입니다. 이때 이미터에 흐르는 전류는 베이스와 컬렉터에 흐르는 전류의 합과 같습니다. 따라서 베이스를 지나 컬렉터로 이동하는 양공의 수는 이미터와 베이스 사이의 미세한 전압 변화에 많은 영향을 받게 됩니다. 이러한 성질을 이용하여 미세한 전기적 변화의 진폭을 크게 변화시키는 작용을 증폭 작용이라고 합니다. 그리고 트랜지스터의 증폭 기능을 극대화시키면 베이스 전압이 정해진 값 이하이거나 이상일 때 컬렉터 쪽의 전류가 흐르지 않거나 흐르게 할 수 있습니다. 이를 이용하면 베이스를 입력 스위치 컬렉터를 출력 스위치로 사용할 수 있습니다.