도체와 부도체 사이 반도체

반도체

반도체는 전자공학의 눈부신 발전을 이끈 핵심 재료로써 통상적으로 전기 전도율이 구리 같은 도체와 유리 같은 부도체 사이의 성질을 띠고 있는 물질을 말합니다. 반도체는 불순물이나 열, 광, 자장, 전압, 전류, 방사선 등의 영향으로 그 전도성이 현저하게 바뀌는 성질을 가집니다.

 

반도체는 매우 낮은 온도에서는 부도체처럼 동작하고 실온에서는 도체처럼 동작하지만 띠 틈이 커 전자가 전도띠로 잘 올라가지 못하는 부도체와 달리 에너지띠 간격이 적당히 작아 실온에서 전자가 쉽게 전도띠로 올라갈 수 있다는 점과 절대 영도에서 가장 윗부분의 전자 띠가 도체처럼 일부만 차 있는 것이 아니라 가득 차 있다는 점이 다릅니다.

 

반도체에 대한 정확한 정의를 위해서는 반도체 물질 내에서 움직이는 전자의 운동을 양자역학적으로 이해해야 합니다. 결정격자를 이루는 고체 물질은 격자의 주기성으로 인해 물질 내의 전자가 에너지띠를 형성하는데, 원자가띠(valence band)와 전도띠(conduction band) 사이의 너무 크지 않은 적당한 크기의 띠 틈을 가지고 있는 물질이 반도체가 됩니다. 대표적으로 탄소-규소-저마늄으로 이어지는 14족의 물질들이 이에 해당하며, Ga, As와 같이 13~15족 등 14족을 가운데로 하는 두 물질의 화합물도 반도체의 성질을 갖는 경우가 있습니다

 

불순물이나 격자 결함을 전혀 포함하지 않는 반도체를 진성 반도체 (intrinsic semiconductor)라고 부릅니다. 진성 반도체는 어떤 계의 전자에 대한 총 화학 퍼텐셜(chemical potential)을 일컫는 페르미 준위가 띠 이론에서 전자가 존재할 수 있는 허용대 사이에 있는, 전자가 존재할 수 없는 에너지 상태의 부분인 금제대의 중앙에 위치하고, 전온도 영역에서 캐리어는 가전자대의 에너지 레벨에 있는 전자의 여기에 의해서만 공급되기 때문에, 전자 회로에 사용하는 반도체 소자로는 사용하기 어렵습니다.

 

반도체가 전자공학에서 많이 활용되는 이유 중에는, 불순물을 조금만 첨가해서 반도체의 특성을 크게 바꿀 수 있다는 점이 있습니다. 이러한 과정을 도핑(doping)이라 하고, 전기 전도도를 변화시키기 위해 반도체에서 의도적으로 첨가하는 불순물을 도펀트(dopant)라고 합니다.

 

반도체를 소재로 하여 만든 회로소자인 반도체 소자로써 사용할 수 있는 반도체는 고유 반도체에 미량의 첨가물인 도펀트를 첨가하여 불순물 반도체로 도핑함으로써 생성합니다. 즉, 비고유 반도체는 운반자의 종류와 개수를 바꾸기 위해 불순물을 첨가한 반도체를 가리키며, 불순물에 따라 N형과 P형으로 나뉩니다. 도핑에 의해 반도체의 캐리어인 전자 또는 정공의 밀도가 변화하게 되는데 전도 현상을 지배하는 캐리어로서 전자가 우세한 반도체를 N형 반도체 (negative semiconductor) 혹은 N형 도핑이라고 하며, 반대로 정공이 우세한 것을 P형 반도체 (positive semiconductor) 혹은 P형 도핑이라고 부릅니다.