생생한 반도체 이야기 - '반도체'가 무엇일까요?

안녕하세요, capincau입니다.
지난 번에 중국의 반도체 굴기에 관해 이야기를 했습니다. 오늘은 반도체가 무엇인지 조금 더 쉽게 풀어서 써볼까 합니다.

반도체의 정의

반도체는 한자로 半導體라고 씁니다. 영어로는 semiconductor라고 하고 독일어로 Halbleiter라고 합니다. 반도체는 절반을 의미하는 ‘반’과 전기를 통하는 성질을 가진 물질을 뜻하는 ‘도체’를 합성한 것인데, 영어도 semi(반)+ conductor(도체)로 되어 있고 독일어도 Halb(반)+Leiter(도체)로 되어 있습니다.

일반적으로 반도체는 ‘도체와 부도체의 중간 물질’로 알려져 있습니다.
그런데, 이런 정의가 쉽게 이해되시나요? ‘도체이기도 하고 부도체이기도 하다’가 맞을까요, 아니면 ‘도체도 아니고 부도체도 아니다’가 맞을까요?

사실, 반도체는 정상적인 상태에서는 부도체의 성질을 가집니다. 그런데 어떤 특정한 환경에 놓이게 되면 도체의 성질을 갖게 됩니다. 각종 센서들이 대표적인 예가 되는데요, 광센서는 빛을 쪼이면 회로가 동작을 합니다. 반도체를 도체로 바꾸는 조건은 빛이 되는 것이지요.

반도체의 정의를 ‘특정 조건을 만족하면 도체의 성질을 갖고 그렇지 않으면 부도체의 성질을 갖는 물질’로 하는 것이 조금 더 정확한 표현인 것 같습니다.

반도체 회로의 기본, MOSFET

메모리 반도체와 시스템 반도체를 이야기할 때 MOSFET이라는 용어를 볼 수 있습니다. MOSFET은 어떤 것일까요?

MOSFET은 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor의 머리글자를 딴 것입니다. 금속산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터라고도 합니다. Metal Oxide Semiconductor도 낯설고 Field Effect Transistor도 낯설긴 하겠지만, 그냥 트랜지스터의 한 종류라고 이해하시면 됩니다. 아주 간단한 사례를 들어서 MOSFET의 구조와 동작원리를 설명하겠습니다.

<그림 1-1 MOSFET의 적층구조>

<그림 1-1>은 반도체 위에 Oxide와 Metal이 순서대로 적층한 것을 표현한 것입니다. 반도체를 가공할 때 Semiconductor는 실리콘 기판(Si)을 사용합니다. 하얀 옷을 입고 눈만 내놓은 사람들이 동그랗게 생긴 기판을 들여다보는 장면을 뉴스에서 접하신 적이 있을 것입니다. 이 기판을 웨이퍼(Wafer)라고 하며, 웨이퍼 위에 회로를 새겨서 잘라낸 뒤 CPU나 메모리 등의 반도체 제품을 만들게 됩니다. 앞으로 실리콘 기판은 ‘웨이퍼’라는 용어로 표현하겠습니다.

<그림 1-2 MOSFET의 단면>

웨이퍼는 앞서 설명드린 것과 같이 Si 단일원소로 만들어져 있습니다. 진성반도체라고 하는데, 여기에 3족 또는 5족의 원소를 불순물로 집어 넣어 우리가 원하는 전기적인 특성을 갖도록 합니다. 불순물은 전자기장을 이용하여 가속한 뒤 물리적으로 때려 넣는 방법을 사용하는데, 이것을 이온주입 공정(Implantation)이라고 합니다. 불순물이 3족 원소이면 p-type 반도체, 5족 원소이면 n-type 반도체라고 부릅니다.

일반적으로 도체에서의 전류는 전자(electron) 이동만 의미합니다. 그러나 반도체에서는 전자의 이동뿐만 아니라 정공(hole)의 이동도 전류의 개념에 포함합니다. 조금 어려운 개념인데, 정공은 ‘전자가 있던 자리’ 정도로만 외우고 넘어 가겠습니다. <그림 1-2>는 MOSFET의 단면입니다. n-type, p-type, n-type이 순서대로 연결된 형태인데, 3족 원소가 불순물로 사용된 n-type 반도체는 전자가 많고 5족 원소가 불순물로 사용된 p-type 반도체는 정공이 많습니다. 이러한 구조를 ‘n-MOS’라고도 하는데, 메모리 반도체의 기억을 담당하는 소자에 적용되는 구조이기도 하고 이해하기가 쉽습니다. 전자(electon)는 ⓔ, 정공(hole)은 ⓗ로 표현하였습니다.

<그림 1-3 MOSFET의 동작>

반도체 소자를 동작시킬 때 Gate라고 부르는 곳에 동작전압을 인가합니다. 전압이 인가되면 Metal 전극에 양의 전압이 걸리는데, Oxide는 절연체이므로 Metal 전극과 마주하는 Si 영역에 전자(electron)들이 늘어서게 됩니다. 이 때 전자가 늘어선 영역을 채널(channel)이라고 하는데, 채널은 전자가 이동하는 통로의 역할을 합니다.

마무리

간단하게 설명하기 어려운 반도체를 아주 쉽게 풀어 보았습니다. 양자와 에너지의 개념까지 들어가야 정확하게 설명을 할 수 있겠습니다만, 이 정도만 알고 있어도 반도체를 이해하는데 어려움이 없을 것으로 생각을 합니다. 반도체는 특정 조건을 만족했을 때 도체의 성질을 갖는다는 것을 말씀드렸고, 이러한 특성을 이용한 MOSFET 소자를 소개하면서 n-MOS를 예로 들어 동작원리를 설명하였습니다. 아주 기본적인 내용들이므로 알아두면 반도체를 이해하는데 도움이 될 것입니다. 다른 이야기들 준비해서 다시 찾아 뵙도록 하겠습니다.