반도체란 무엇인가?

반도체는 전류를 제어하는 ​​재료로, 대부분의 현대 전자 제품의 필수 구성 요소입니다. 스마트폰, 컴퓨터, TV에 전원을 공급하는 컴퓨팅 칩과 마이크로컨트롤러입니다.

반도체는 독특한 특성으로 인해 고전도성 물질(구리나 알루미늄 등)과 부도체(고무나 유리 등) 사이에 위치합니다. 가장 일반적으로 실리콘, 게르마늄 및 갈륨 비소로 만들어진 반도체 하드웨어는 전류의 자유로운 흐름을 허용하거나 완전히 밀어냅니다.

반도체는 전기의 흐름을 제어할 수 있는 물질이 부도체(부도체)보다 크지만 도체보다는 약한 물질입니다. 컴퓨터, 스마트폰 등 다양한 전자기기에 사용됩니다.

Texas Instruments의 Sitara 마이크로컨트롤러 장치 총괄 관리자인 Mike Pienovi는 "벽에 꽂거나 배터리를 사용하는 모든 전자 장치에는 반도체가 내장되어 있습니다."라고 말했습니다.

반도체의 편재성을 과장하는 것은 어렵습니다. 다이오드, 칩, 트랜지스터는 모두 반도체로 만들어진 장치입니다.

"반도체는 산업, 자동차, 개인 전자 제품, 통신 장비 및 기업 시스템과 같은 광범위한 시장에 있습니다."라고 Pienovi는 덧붙였습니다. "이 칩은 오늘날 기술의 중요한 구성 요소로 우리 삶의 거의 모든 측면에 영향을 미칩니다."

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반도체의 전기 전도 능력은 두 가지 전류 전달자, 즉 자유 전자와 정공(전자가 없음을 나타냄) 사이의 이동과 상호 작용에 따라 달라집니다.

Academia Insider에서 콘텐츠를 제작하는 박사 학위 화학자 Andrew Stapleton에 따르면 "반도체가 어떻게 작동하는지 이해하려면 에너지 밴드에 대해 알아야 합니다."

Stapleton은 이를 다음과 같이 설명했습니다. 고체에서 전자는 에너지 밴드를 형성하는 에너지 수준을 차지합니다. 반도체에서 가장 관련성이 높은 두 가지 에너지 밴드는 가전자대(가전자로 채워져 있음)와 전도대(대부분 비어 있음)입니다.

반도체 물질에 열에너지가 가해지면 원자가 전자가 원자가 띠에서 전도 띠로 이동하여 자유 전자가 됩니다. 그들은 원자가 밴드에 빈 지점을 남겨두고 구멍을 만듭니다.

"비도체에서 이러한 밴드는 서로 멀리 떨어져 있습니다"라고 Stapleton은 말했습니다. "그러나 반도체에서는 열원이 가해지면 전자가 가전자대에서 전도대로 점프하여 전류의 흐름을 가능하게 할 정도로 충분히 가깝습니다."

전류의 강도를 결정하는 것은 적용된 전압의 양과 반도체 재료의 특성에 따라 달라집니다(자세한 내용은 아래 참조). 이러한 요소들 사이의 관계는 옴의 법칙으로 설명됩니다. 이 법칙에 따르면 전류는 인가된 전압에 직접적으로 비례하지만 재료의 저항에는 반비례합니다.

그러나 전류의 흐름을 더 잘 제어하기 위해 저항을 조작할 수 있습니다. 도핑이라고 알려진 공정에서는 물질에 불순물을 첨가하여 전류 캐리어의 수를 늘릴 수 있습니다. 자유 전자나 정공의 수를 늘리면 전류 캐리어 사이에 대다수가 생성되어 더 강한 전도성을 갖게 됩니다.

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진성 반도체는 순수한 물질, 즉 실리콘과 게르마늄으로 발열체와 접촉할 때 자연적으로 전기를 전도하는 능력을 가지고 있습니다. 그러나 이러한 도핑되지 않은 물질은 전류를 잘 전도하지 않습니다.

진성 반도체에서 전도대에 있는 자유 전자의 수는 가전자대에 있는 정공의 수와 항상 같습니다. 전류 캐리어(자유 전자 및 정공)의 농도가 낮으면 실온에서 전도성이 저하됩니다. 전도도를 향상시키는 것은 전압과 같은 외부 열 에너지원에 크게 의존합니다.