반도체 소자
다른 표기 언어 semiconductor device , 半導體素子요약 도체도 절연체도 아닌(따라서 반도체임) 성질을 가진 물질로 만들어진 전자회로 부품.
이것은 정류기, 증폭기, 스위치, 광검출기나 발광소자, 그밖의 기능에 쓰인다.
트랜지스터로 알려진 반도체 소자의 발명은 1947년 벨 전화연구소의 존 바딘, 월터 H. 브래튼, 윌리엄 B. 쇼클리에 의해 이루어졌으며, 이것은 제2의 산업혁명을 예고했다. 이후 10여 년 간의 연구개발로 트랜지스터는 그때까지 전자장치에 사용되던 전자관을 대체할 수 있는 방안이 되었으며, 디지털 컴퓨터에 채택되어 사용되었다(→ 디지털 컴퓨터).
컴퓨터 제작자들은 기존의 것보다 효율적이며 작고 빠른 컴퓨터 시스템을 생산하기 위해 제어회로·산술회로·논리회로 등에 트랜지스터를 채택했다. 그뒤의 반도체 소자와 제조기술에 대한 연구로 전자회로 부품의 소형화와, 주로 컴퓨터 하드웨어 분야의 발전이 있었다.
이중에서도 가장 주목할 만한 것은 1950년대 후반에 개발된 집적회로였다(→ 집적회로). 이와 같은 형태의 소자는 반도체 물질의 칩(chip)에 집적시킨 수많은 트랜지스터·다이오드·저항으로 구성된다. 1970년대 초반 컴퓨터의 중앙처리장치(컴퓨터에서 명령을 해석하고 수행하는 부분)의 기능들을 수행하는 모든 회로가 들어 있는 고밀도 집적회로인 마이크로프로세서가 선보였다.
마이크로프로세서의 대량생산으로 마이크로컴퓨터의 대량보급, 공업용 로봇과 그밖의 다른 자동화기계, 자동초점사진기에서부터 프로그램식 가전용품에 이르는 정교한 전자제품 등의 생산이 가능하게 되었다.
반도체의 특성
반도체는 절연체와 도체 사이의 중간 정도의 전기저항을 갖는다. 원소 반도체의 저항은 온도에 따라 감소하며, 빛을 쪼이면 저항이 감소하기도 한다(광전도성). 순수한 반도체의 전기전도도는 매우 낮다. 그러나 도핑이라고 부르는 의도적인 불순물의 첨가로 반도체의 전기적 특성을 변화시켜 전도도를 크게 할 수 있다.
반도체 물질의 원자는 최외각(最外殼)에 4개의 전자를 가지는 반면 불순물의 원자는 최외각에 3개 또는 5개의 전자를 가진다. 안티모니(Sb)·비소(As)·인(P)과 같은 원소들을 첨가하면 자유전자(n 운반자)를, 알루미늄(Al)·붕소(B)·인듐(In)과 같은 원소들을 첨가하면 양공(p 운반자)을 첨가하는 효과를 가진다. 첨가된 소량의 불순물 농도는 반도체 물질의 기본적인 금속적 성질에는 영향을 주지 않지만 전기적인 성질은 변화시킨다.
가장 널리 사용되는 반도체 물질은 원소 실리콘이다. 1960년대 이후 실리콘은 다음과 같은 이유에서 저마늄(Ge)을 밀어내고 널리 사용되게 되었다. ① 실리콘은 저마늄보다 훨씬 풍부하며 값이 싸다.
② 실리콘은 저마늄에 비해 보다 높은 온도에서도 반도체로서의 성질을 유지한다. ③ 실리콘은 전기적 절연체인 산화막을 쉽게 만들 수 있다. 이 산화막은 불순물을 도핑할 때 차폐물로 사용된다. 실리콘은 집적회로와 버랙터 다이오드, 쇼트키 다이오드, 사이리스터 등과 같은 소자에 사용된다.
1970년대 이후 과학자들은 실리콘과 저마늄 이외의 주기율표상의 Ⅲa족(예를 들면 알루미늄·갈륨·인듐)과 Ⅴa족(예를 들면 인·비소·안티모니)의 원소가 결합된 화합물반도체에 더 많은 관심을 기울였다. 이러한 소위 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체에는 광자와 전자-양공쌍(electron-hole pairs/EHPs)과의 변환이 가능하므로 광전자 소자에 알맞는 물질이다. 즉 빛을 방출한다거나 매우 높은 주파수에서 동작하는 소자에 적합하다.
이와 같은 반도체로 만들어지는 소자의 예로는 콤팩트 디스크 플레이어 또는 광통신 시스템에 사용되는 반도체 레이저가 있다. Ⅲ-Ⅴ 반도체로 만들어진 광전자 소자의 다른 중요한 예로 태양전지와 발광 다이오드(light-emitting diodes/LEDs)가 있다. 발광 다이오드는 숫자표시기나 광통신 시스템에서 간섭성 광원으로 사용된다. 과학자들은 반도체 레이저와 트랜지스터가 하나의 칩에 집적된 형태의 실용성있는 광전자회로를 개발하려고 노력하고 있다. 이것은 현재 가장 빠른 컴퓨터인 슈퍼컴퓨터보다 빠른 속도로 데이터를 처리하고 계산하는 컴퓨터 시스템을 구현하는 것을 가능하게 할 것이다. 이것은 광자를 이용한 소자에서 광자의 동작은 기존의 전자회로에서 전자가 이동하는 것보다 상당히 빠르기 때문이다.→ 반도체