들어가기에 앞서,
반도체가 무엇인지 어떻게 사용되는지에 대해 간략하게 짚고 넘어가자. 반도체라는 용어는 뉴스 혹은 기사에서 자주 접했을 것이다. '반도체 대란'이라거나 '반도체 수출 규제' 등 반도체에 대한 이슈가 끊이지않고 있다. 그렇다면 이토록 회자되는 반도체란 무엇일까? 아주 간단하게 설명하자면 이름 그대로 반만 도체인 물질이다. 즉, 온도를 높을 때는 전기가 흐르는 도체가 되었다가 온도가 낮을 때는 전기가 흐르지않는 절연체가 되는 것이다. 이는 전기전도도와 이동도 등으로 추가적인 설명을 필요로 하지만 더 자세한 내용은 추후의 글에서 다루도록 하자. 어찌되었든 반도체는 어떨 때는 전기가 흐르고 어떨 때는 전기가 흐르지 않는 생각보다 단순한 물질로 들릴 수 있는 이 물질은 4차 산업혁명시대의 주축이 되는 부품으로 우리의 삶을 드라마틱하게 바꿀 수 있는 물질이다. 당장만 하더라도 우리가 자주 사용하는 스마트폰과 테블릿, 노트북 등 거의 모든 전자기기, 전자제품에 사용된다. 뿐만 아니라 현재 각광을 받고있는 인공지능의 발전에도 큰 영향을 미칠 것이고 미치고 있다(인공지능 반도체 NPU와 GPU, DPU 등은 따로 다루도록 하겠다). 이와같은 행보를 달리고 있는 반도체에 대해 이 블로그를 읽고 있는 모두가 전공자 수준으로 이해할 수 있도록 기초부터 천천히 다루어보도록 하겠다.
도체와 절연체(부도체), 반도체
물질을 전도도에 따라 분류하면 다음과 같이 3가지 카테고리로 분류할 수 있다.
여기서 우리가 다루게 될 반도체는 외부적 개입으로 전기전도도를 조절할 수 있는 물질이다.
반도체 재료와 결정 구조
반도체로 사용하는 재료는 주로 화학적으로 안정성이 높고, 규칙적인 원자 배열을 가진 공유결합 물질을 사용한다. 주로 아래의 주기율표 13~15족 원소를 사용하고 그 중에서도 가장 값이 싼 Si(규소 또는 실리콘)를 현재 널리 사용하고 있다.
물론 Si말고도 GaAs, GaP, InP, CdTe 등의 화합물 반도체와 ZnO, SnO₂등의 산화물 반도체도 존재한다. 참고로 이들은 성능은 좋지만 비싸다는 단점이 있다.
위의 원소들로 이루어진 반도체는 결정 구조(원자 배열의 주기성)에 따라 비(결)정질(amorphous), 다결정(polycrystalline), 단결정(single crystalline)으로 나눌 수 있다.
위의 반도체 종류 중 성능이 가장 좋은 단결정 구조의 반도체가 소자로서 주로 사용된다. 하지만, 큰 면적의 반도체 소자를 만드는 경우에는 기술력 부족으로 단결정보다는 다결정 혹은 비정질 반도체를 사용한다.
참고로 위에서 언급한 반도체(주로 실리콘) 결정 구조를 얇은 원판 모양으로 만들어 기판으로 사용하는데, 그것이 모두 익히 들어보았을 웨이퍼이다.
웨이퍼에 대한 자세한 내용은 추후에 따로 다루도록 하겠다.
댓글