1. Semiconductor(반도체)에 대해 알아봅시다.

오늘도 새벽에 문득 공부를 하다가 저에게는 익숙하지만 처음 접했을때 정말 생소했던 반도체라는 용어가 눈에 들어왔습니다.

반도체, 즉 semiconductor는 무엇일까요?

요즘 핫한 이슈이기도 하고 주식시장에서 많이 나오는 반도체에 대해 이야기 해봅시다!!

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그림 1. 실리콘 웨이퍼

반도체란!

• 반도체는 때에 따라서 전류가 흐를 수 있게 할 수 있는 산업적으로 정말 중요한 재료입니다.
  또한 도핑, 온도, 전기장, 빛 같은 조건에 따라 전도성이 크게 변하게도 만들 수 있습니다.
  
• valence band(가전도대), conduction band(전도대)로 구성되며 밴드갭을 통해 에너지의 차이를 두고 carrier인 hole(정공)과 electron(전자)을 통해 원하는 결과값을 얻을 수 있습니다.
  
• 대표적으로 사용되는 곳은 LED, 태양전지, 센서이며과 같은 전자 산업과 에너지 변환 기술의 기반입니다.

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반도체 한 줄 정의

반도체는 고체 내부에서 전자의 에너지 상태가 밴드로 형성되고,
밴드갭(Eg)이 적절한 크기를 가져 전자와 정공이 생성 및 이동할 수 있는 물질입니다.

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핵심 키워드

밴드 구조(band structure), 밴드갭(Eg), 전자(electron)과 정공(hole)

그림 2. valence band, conduction band, band gap(Eg) 개념도

2. 산업에서는 어떻게 응용될까요?

반도체의 핵심 가치는 전류를 어느 정도로 조절할지를 소자 설계로 구현할 수 있다는 점입니다.
특히, 전류를 시간에 따라 원할 때 막을 수도 있고 흐르게 할 수도 있다는 것이 가장 큰 장점입니다.

도체는 band gap이 없어 전류가 항상 흐릅니다.
반면에 부도체는 band gap이 너무 커서 전류를 흐르게 할 수 없습니다.

이 두개 사이에 있는 것이 반도체입니다.
일정한 에너지를 가해서 전류를 흐르게도 할 수 있고 흐르지 않게도 할 수 있는 것입니다!!!

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3. 핵심 원리 3가지

3.1 밴드 구조(band structure)과 밴드 갭(band gap)

고체에서 전자는 임의의 에너지 값을 갖지 않고, 주로 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band)에 분포합니다.

두 밴드 사이의 에너지 간격이 밴드갭(Eg)이며, Eg가 작을수록 열 또는 빛에 의해 carrier가 만들어지기 쉬운 경향이 있습니다.

Eg는 빛의 흡수 및 방출과 직접 연결됩니다.

3.2 전하 carrier: 전자와 정공

반도체에서 전류는 전자와 정공이 운반합니다.

정공은 실제 양전하 입자가 이동한다기보다, 가전자대에서 전자가 비어 있는 상태가 있다는 것을 나타내는 약속된 개념입니다.

간단히 예를 들자면 비가 오면 물이 골짜기를 찾아 들어가듯이 전자는 정공이 있던 자리로 다시 들어가고 싶어합니다.

3.3 도핑과 p형, n형

반도체에서의 도핑은 극소량의 불순물을 의도적으로 넣어 band를 원하는 방향으로 조절하는 기술입니다.

도핑에 따라 n형 또는 p형 반도체가 만들어지며, p-n 접합은 여러 소자의 기본 구조가 됩니다.

n형은 전자를 하나 줄 수 있는 원소를 첨가하여 전도대 아래에 적은 양의 state를 형성하는 도핑이며

p형운 전자가 하나 적은 원소를 도핑하여 가전도대 위에 전자가 없이 state만 존재하는, 즉 hole이 있는 state를 만드는 도핑입니다.

그림 3. p-n 접합과 공핍층, 확산과 드리프트 개념도

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4. 대표적인 응용법

4.1 논리 연산과 스위칭: 트랜지스터

트랜지스터는 전기장을 이용해 채널의 전도도를 바꾸어 ON, OFF를 구현하는 소자입니다. CMOS 집적회로는 현대 컴퓨팅의 핵심 구조입니다.

현실 예시

• CPU와 메모리는 트랜지스터의 스위칭으로 0과 1을 처리합니다.
  
• 스케일이 작아질수록 누설전류, 계면 결함, 열화 현상이 성능을 좌우합니다.

그림 4. MOSFET 단면 개념도

4.2 전력 반도체

전력 반도체는 고전압, 고전류, 고주파 환경에서 전력 손실을 줄이고 열 관리를 가능하게 하는 소자와 소재를 다룹니다.

대표 소재

• Si: 성숙한 공정과 낮은 비용이 강점
  
• SiC: 고전압과 고온에서 유리, 전기차 인버터 등에서 사용 증가
  
• GaN: 고주파 및 고효율 전원장치에 유리

4.3 빛과의 상호작용: LED, 태양전지, 포토디텍터

밴드갭은 빛의 흡수와 방출 파장을 결정하는 핵심 변수입니다. LED는 재결합으로 빛을 방출하고, 태양전지는 빛 흡수로 생성된 운반자를 분리해 전류를 만듭니다.

그림 5. LED에서 재결합과 광 방출 개념도

4.4 광촉매로의 이용

이러한 반도체의 성질을 이용하여 여러가지로 활용할 수 있는데 그중 대표적인 예시가 광촉매입니다.

현실 예시

• 정공과 전자가 분리됨을 이용하여 photoanode의 역할을 하는 부분과 photocathode의 역할을 하는 부분에서 각각 원하는 반응을 얻을 수 있습니다.
  
• 촉매의 구성요소를 다르게하거나 doping, co-catalyst와 같은 여러 tequnique를 이용하여 반응성을 조절 할 수 있습니다.

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5. 요약

• 반도체는 밴드 구조와 밴드갭을 기반으로 전도성이 조건에 따라 크게 변하는 재료입니다.
  
• 전자와 정공의 농도, 이동도, 도핑과 접합 설계가 소자 성능을 좌우합니다.
  
• 트랜지스터, 전력 반도체, LED, 태양전지, 센서 등 다양한 산업 분야에서 핵심 역할을 합니다.
  
  뿐만 아니라 반도체의 성질을 이용하여 촉매, 재생에너지와 같은 부분에서도 효율을 보일 수 있으며 관련연구는 현재도 굉장히 활발하게 진행되고 있습니다.

모두들 공부 파이팅!!!!!!
만약 틀린 부분이나 보완해야할 부분이 있으면 알려주세요~~