요즘 삼성이 NAND 플래시 메모리로 세상을 휩쓸고, 친환경 LED가 뜨는 등 이런 저런 반도체소자가 뜨고 있다.. 라고 하지만 막상 ‘반도체’ 하면 뭔지 잘 모르죠.
오늘은 방학 맞은 기념으로 지난 일년 동안 배운 반도체를 간단하게 소개하고자 해요.
제목에 반도체가 뭐야? 라는 질문을 받는다면 대강 얼버무려서 할 수 있는 대답이 전기가 흐를 때도 있고 흐리지 않을 때도 있는 게 반도체 라고 대답할거 같은데요. ‘반’ 도체 라고..
이 말도 맞죠. 사실 순수한 반도체는 부도체예요. 전기가 흐르지 않는다는 것이죠. 이것을 doping이란 과정을 얼마나 하는가에 따라서 전기의 흐름을 통제할 수 있어요.
| 부도체 | 반도체 | 도체 |
| 전기가 아주 안 흐른다. | 전기의 흐름을 통제 할 수 있다. | 전기가 막 흐른다. |
이런 차이가 생기는 이유는 각각의 결합 상태에 따라서 생겨요.
각각 이온결합 공유결합 금속결합 을 하고 있어요.
보통 반도체는 실리콘(Si) 나 게르마늄(Ge)로 만드는 대 이들은 최 외곽 전자가 4개래요. 각각 손이 4개씩 달려있어서 순수한 Si 나 Ge는 각각 손들을 꼭 붙잡아서 전기를 옮겨줄 Carrier인 전자 다 묶여 있는 편인데. 여기 불순물을 섞어서 4개 손 중에서, (이를테면) 1손을 불순물이 대신 잡아 버리는 것이죠.
그럼 손을 못 잡게 된 다른 손은 곳 Carrier가 되고 얘가 전기흐름을 옮겨 주는 이런식..
불순물로 붕소B, 알루미늄Al, 갈륨Ga, 인듐In을 섞으면 hole(전자의 빈자리)를 이용한 P형 반도체가 되고 불순물로 인P, 비소As, 안티모니Sb를 섞으면 남는 전자를 이용하는 n형 반도체가 된대요.
전자나 전자의 빈자리나 결국 그 놈이 그 놈이 아닌가? 싶지만 그 둘이 활약하는 전자의 궤도(?) 가 달라 그 둘이 특성이 달르대요. 그냥 그렇게 알죠
아무튼 그냥 반도체 덩어리 한 놈 가져다 두면 그냥 어정쩡하게 전기가 흐르는 놈 일뿐 그다지 쓸모는 없어요 어디다 써요.
그런데 만약 n형 반도체 위에 p형 반도체를 붙인다고(자라나게 한다고) 생각해보죠.(epitaxial같은 방법으로 만든다.)
그렇게 n형과 p형이 붙어있으면 아주 특이한 상태가 발생해요.
전류가 p에서 n으로 흐르게 전압을 걸어주면 전류가 잘 흐르지만
n에서 p로 전류가 흐르게 전압을 걸면 전류가 거의 흐르지 않아요.
이건 큰 발견이죠!! 전기의 흐름에 일방통행을 만든 것이죠.
이걸 그대로 이용하면 Diode 라는 소자가 되요.
여기서 천재적인 사람들이 이런 특성을 연구해서 트랜지스터 라는 것을 만들었어요. 이건 3개의 다리가 있는데. 1개의 다리가 나머지 2개의 다리에서 전류가 흐르게 할건지 못 흐르게 할건지를 결정하는 스위치 역할을 해요.
사람이 손으로 스위치를 작동하지 않아도 스스로 뭔가를 켰다 끌 수 있는 소자가 만들어 진 것이죠.
여기서 또 천재적인 사람들이 위의 소자를 이용해서 Gate 라는 논리를 구현 시켰어요.
AND, OR (등등)이라는 논리가 있어요. 간단히 소개한다면.
AND
| A | B | C |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 |
1
|
OR
| A | B | C |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 |
1
|
이런 논리.
위에서 1이라고 표현된 것은 보통 +5V의 전압을 의미해요.
A,B에서 동시에 +5V가 입력되면 C로 +5V를 출력해주는 것이죠.
여기 AND 에 반전을 의미하는 NOT을 붙이면 NAND가 된요.
삼성 NAND 플래시 메모리 에서 나오는 NAND가 이 NAND 죠.
대략 컴퓨터가 0과 1밖에 모른다는 것을 익히 들어서 알고 계시죠?.(결국 전기가 있고 없고 임) 컴퓨터 연산을 바닥에 바닥까지 내려가면 결국 이런 Gate들의 집합이예요...
요즘 나오는 이른바 ‘칩’들은 이런 pn juction구조(혹은 그와 유사한 기능을 하는 구조)를 거의 마이크로 미터 정도로 작게 구현해서 다닥 다닥 붙여놓은 것이예요. 워낙 작다 보니 자외선을 쪼여서 세공하는 -photolithography- 기술을 써요.(반도체 구조는 전자 현미경으로 봅니다. -_-...)
이게 반도체의 정체예요
기판 뜯어서 대충 다리가 좀 많고 플라스틱에 쌓여있으면 죄다 반도체인것이죠.
아 참 LED
LED가 뭔지 말을 안해줬지요.
여러분은 이제 반도체가 전자의 활동으로 인해서 작동 하는 것임을 이해했어요.
전자가 궤도(?)를 바꿀 때 그에 해당하는 에너지를 내보내는대요.
그러니까 에너지가 높은 곳에서 전자가 있다가 낮은 곳으로 가면 그만큼의 에너지를 내보내는데. 근대 그 에너지가 가시광선 영역에 있으면, 그게 빛으로 보이는 것이죠.(초큼 비스므리하게 레이저광선 내보내는 소자도 만듭니다.)
잘 보시면 코딱지 보다 작은 이상한게 필라멘트 대신에 있습니다.
덧으로 말하면 파란색 LED가 1990년대에 개발되어서(일본 슈지 나카무라 박사) (빨강 초록은 한참전에 이미 개발) 하얀색 LED가 개발되고 상용화된지 얼마 안된거예요(요즘 삼성이 관련 제품을 쏟아내니 갑자기 LED 붐이 부는것 같네요)
추가로 태양광 발전 패널도 반도체예요. 도핑을 잔뜩 하고 얇게 만들어서 태양 빛에 비추면 빛에서 에너지를 흡수한 전자가 날뛰는 것이죠.
위의 내용들은 가볍게 읽고 넘어가기 좋은 깊이로 작성하였습니다. 그냥 읽어서 반도체가 뭔가 하고 끄덕끄덕 하는 정도이니^_^
“사실은 저렇지 않아!!”라고 테클 걸진 마세요 ㅡ_ㅡ..
끄덕끄덕 하셨으면 댓글도 좀 달아주세요 -0-
