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정보화 시대에 사는 우리가 지금 인터넷을 접할 수 있는것도 이 반도체 덕이라 볼수 있어

그런데 반도체를 알기전에 우리는 제일먼저 알아야 할 게 있어

바로 전기전도도이지

1. 전기전도도란 무엇인가 ?

전도(conduction)라는 말 들어봤지 ??

전도라는건 쉽게 말해서 열 또는 전기 등의 에너지 차이가 발생해 에너지가 이동해가는 현상을 말해

기본적인 열이나 전기같은 에너지들은 열적 평형상태를 유지하려고 하는 성질이 있어

계(물질)를 안정화 시키기위해 에너지를 다 같게 만드려는 성질인거지

뜨거운 물과 찬물을 한컵에 부어두면 확산에 의하여 온도가 같아지는 성질이 이거라 볼수있지

쉽게 말해 전도는 약간 확산하고 약간 비슷해

물질의 농도차(농도기울기)에 일어나는게 확산이라면 에너지의 불균형으로 일어나는 게 전도니까

전기전도도란 위와 같은 방식으로 전기적 위치에너지차가 발생해 전하가 이동함에 따라

전류가 발생하는 정도를 전기전도도라 볼 수 있어

전류가 얼마나 잘 통하냐가 바로 전기 전도도라 이거지

그런데 이게 반도체랑 무슨상관이냐?

반도체의 아주 대표적인 특성이자 반도체를 사용하는 이유가 전기 전도도와 관련 있기 때문이야

2. 도체 반도체 절연체의 차이란 ?

위에서 언급했듯이 반도체는 전기전도도와 관련이 깊어

왜냐면 도체 반도체 절연체의 구분시켜주는 것이 바로 전기전도도 거든

기본적으로 전기전도도가 

10^-5~ 10^5 사이의 물체들을 일반적으로 반도체라고해

여기서 심층적으로 구분해볼께

 (절연체           반도체           도체)

기본적으로 전기 전도가 되려면 최외각 전자가 에너지를 받아서 자유전자가 되어야만 전류에 도움을 줄 수 있는데

이러한 최외각 전자가 자유전자가 되기 위해서 필요한 에너지를 band gap energy라고 해
여기서 최외각 전자가 갖는 준위(위치에너지)를 valance band 자유전자의 준위(위치에너지)를 conduction band라 해 (최외각 전자가 자유전자화되기 위해 valance band에서 conduction band로 전자가 이동하는 것을 천이(반도체) 또는 여기(형광체)라고 해)

즉 도체 반도체 절연체는 전기전도도와  band gap energy 로 구분할 수 있어

(여담이지만 도체는 2가지 도체가 있어 conduction band가 valence band에 겹쳐진 형태와 valence band 위에 빈 공간이 존재해 쉽게 천이할 수 있는 형태(Al)야)

그런데 좀 이상할 거야 

전기전도도가 높고 쉽게 자유전자를 만드는 도체를 사용하지 않고 왜 반도체를 사용하는지 말이야

3. 그렇다면 왜 반도체를 사용하는것일까?

일반적으로 자유전자를 만들려면 외부 에너지(열 전기)가 필요해.

그런데 도체들은 말이지 상온의 열에너지 (0.025 eV)만으로도 자유전자를 만들 수 있어

우리는 대체하면 대체로 금속을 생각하는데 금속=도체인 이유도 이 이유에 있어

우리가 금속을 배웠을 때 생각해보면

금속은 자유전자구름을 가지고 있는 특징을 가지고 있잖아?

바로 이 자유전자구름을 형성할 수 있는 이유가

쉽게 전이될수 있는 band를 가지고 있어서 상온과 같이 아주작은 에너지만으로도 최외각 전자가 쉽게 전이될 수 있어

그말은 즉슨 도체가지고는 전기전도도를 조절할 수 없단 소리야

(참고로 절연체의 전기전도를 시키기 위해서 외부 에너지를 가하려면 2000~3000도 이상의 열에너지가 필요해 직접 계산해본 거라 확답은 못하지만, 엄청나게 많은 에너지가 필요하다고 보면 돼.)

위에서 신나게 주저리주저리 말했지만 한마디로 요약하자면 반도체의 대표 특성은 전기전도도를 조절할 수 있다는 점에 있어

4. 반도체의 전기전도도는 어떻게 조절할까?

반도체에 전기전도도를 조절하는 방법에는 크게 2가지가 있는데

아까 말했듯이 반도체에 가하는 외부 에너지를 조절하는 방법과

doping이라고 해서 불순물을 주입시켜서 반도체 내부의 전자 또는

정공(전자의 빈자리)를 형성 시키는 방법이 있어

일반적으로 4족 원소가 반도체인데, 4족 원소의 기판에 3족 원소를 주입하면 정공을(전자의 빈자리를) 5족 원소를 주입하면 전자를 더 가지게되

이때 정공(3족 원소)을 주입받아 기본적으로 +성질을 가진 반도체를 P형 반도체

전자(5족 원소)를 주입받아-성질을 가진 반도체를 N형 반도체라고 해

(일반적으로 Si에 P형을 만들 땐 B을 주입시키고, N형을 만들 땐 As을 주입시켜)

5. 이러한 반도체가 뭐 어쨌다고?



그래 반도체가 뭐 어쨌다고 가 이쯤에서 나와야 할 거 같아

사실 이러한 반도체 가지고는 아무 의미 없어,


그런데 이 P형 반도체와 N형 반도체를 결합시키면 새로운 특성이 나타나기 때문에

아직까지도 쓰고 있는 거야

바로 정류 특성 때문이지

PN 접합이라 해서 두 개의 반도체를 접합시키면 정류 특성이 나타나는데 이 정류 특성이 현재의 전자제품이 활성화시키는데 주력을 했다 볼 수 있어.

정류 작용이란,

한 방향으로 만 전기가 흐르게 해주는 특성인데, 역으로 전류가 흐르게 되면 전류가 차단되게 돼

순방향으로 전류가 흐르게되면 PN 접합의 공핍층(전자 정공이 결합하여 전자정공이 없는층)의

폭이 줄어들고 문턱전압이 낮아져 전류가 흐르고

역방향으로 전류가 흐르게되면 PN 접합의 공핍층(전자 정공이 결합하여 전자정공이 없는층)의

폭이 늘어나고 문턱전압이 높아져 전류가 차단돼

(문턱전압: 위 그림의 기울어지는 부분의 높이 공핍층: W)

 (참고로 공핍층에는 전자 정공의 결합에 의해서 전기장이 발생하는데, 이 전기장이 주입된 전류와 상쇄되는 방향으로 흘러서 전류를 차단시킬 수 있어) 

이러한 정류 특성을 이용하여 직류 전압으로 많은 할 수 없었던 많은 작업이 가능하게 된 거지
직류전압의 경우 전류에 의한 열 발생으로 소자가 쉽게 파괴될 수 있었는데

RF 즉 교류를 사용하면서도 역전류를 흘러보내지 않고, 고속 점멸을 시켜주기 때문에, 소자가 쉽게 파괴되지 않고 오래 사용 가능하게 된 거지

뿐만 아니라 PN 접합을 응용하여 만들어진 PNP 접합 (또는 NPN 접합)으로 인해 트랜지스터를 발명하게 되었는데, 트랜지스터는 전류의 증폭을 할 수 있기 때문에 전자제품 소자의 길을 열게 돼

그중 우리가 가장 쉽게 접할 수 있는 게 MOSFET(금속 산화 반도체 접합 트랜지스터)인데 이는 메모리 소자로써 사용할 수 있어

설명하기 너무 힘들어서 PPT 자료에서 사진 퍼 왔는데 참고해
이때 전류가 흐르면 1 전류가 흐르지 않으면 0으로 인식하고 우리가 알고 있는 검은 네모난 반도체에는 수많은 MOSFET + 축전지 쌍으로 이루어져 있어, 이들이 전류가 흐르고 흐르지 않음에 따라 010111 같은 2진법을 구사할 수 있는 거지

이렇게 해서 메모리 소자와 정류작용을 할 수 있는 다이오드의 발견으로 인해 전자소자의 발전을 이루었고, 그러한 기반이 되는 반도체가 전자제품 소자로 사용되는 거야

 혹시라도 알바로 클린 룸이 있다고 하면 이 반도체 소자 공정을 하러 간다고 보면 돼.
아까 말한 MOSFET+축전지 구조는 매우 미세해서 적은 불순물로도 오류가 날 수 있기 때문에 클린 룸에서 제조를 해야 하거든

 대부분의 전자소자재료를 제작한다고 하면 PN 접합과 관련이 있어

(전자과가 아니어서 자세히 말할 수 없지만 알고리즘이 들어간 제품들은 다이오드 트랜지스터 축전지 3개는 기본으로 들어가서 회로도 구성을 한다고 알고 있어(틀릴 수도 있어), 대부분의 제품엔 PN 접합 소자가 안 들어갈 수 없다고 보면 돼)

5줄 요약

1. 전기적 위치에너지 차가 발생해 전하가 이동함에 따라 전류가 발생하는 정도를 전기전도도라 한다

2. 반도체는 이러한 전기 전도도를 쉽게 조절할 수 있다.

3. 이러한 전기전도도를 조절한 두 개의 반도체를 접합시키면 다이오드가 만들어진다

4. 정류작용을 할 수 있는 다이오드의 개발과 이에 더불어 개발된 MOSFET는 정보를 제공할 수 있는 메모리 소자의 길을 열었다.

5. 메모리 소자뿐만 아니라 DC(직류) 사용으로 인한 열로 소자 파괴를 막게 되므로 다양한 전자제품의 시대를 열게 되었다.