반도체의 정의

반도체란 정의상으로 전기가 선택적으로 흐르는 물질, 즉 도체보다는 전류가 안 흐르고 부도체 보다는 전류가 흐르는 물질이다.

“상온에서 전기 전도율이 도체와 절연체의 중간 정도인 물질. 낮은 온도에서는 거의 전기가 통하지 않으나 높은 온도에서는 전기가 잘 통한다. 실리콘, 저마늄, 산화 구리 따위가 있으며 정류기(整流器), 다이오드, 집적 회로, 트랜지스터 따위의 전자 소자에 널리 쓴다 / 표준국어대사전”

 

표준국어대사전에서는 위와 같이 정의를 하는데 이는 앞서 말했던 선택적으로 전류가 흐른다는 개념과 다름없다. 즉 반도체가 전자 장치 응용 및 에너지 변환에 주목을 받는 이유도 항상 전기가 흐르는 것이 아닌 선택적으로 전류가 흐르고 이런 상황을 조절할 수 있기 때문이다.

Three bond pictures of a semiconductor / Encyclopædia Britannica, Inc.

 

도체와 부도체 반도체를 구분함에 있어서 물질의 구조나 형상보다는 그 물질을 이루는 원소와 원자 배열이 더 그 영향이 크다. 주로 원자가 전자가 4개인 Si, Ge등이 대표적인 반도체이며 원자가 전자가 3, 5개라도 다른 원소와 결합한 GaAs, CdSe등도 반도체이다.

 

일반적으로는 Ⅲ~Ⅵ족에 위치한 원소들이 대표적인 반도체를 구성한다. 특히 Ⅳ족에 위치한 Si, Ge는 4개의 공유결합으로 단원소에서 가장 대표적인 반도체 물성을 보여준다.

반도체가 무엇인지 정확히 정의하기는 쉽지 않다. 재료공학적 관점으로는 전기전도도가 도체보다는 작고 부도체 보다는 큰 물질들을 의미하긴 하지만 정확히 몇 S/cm 이상이고 이하여야 하는지에 대한 기준은 존재하지 않는다.

Typical range of conductivities for insulators, semiconductors, and conductors./ Encyclopædia Britannica, Inc.

또한 13, 14, 15족의 원소들이 결합한 것이 반도체라고 정의하기에는 TiO2, MoS2 같은 물질도 반도체로 활용되고 있기에 적절한 정의는 아니다. 

 

반도체의 특성과 활용을 생각했을때 반도체란 10−⁸~10² S/cm의 전기전도성을 가지며 도핑, 밴드갭 엔지니어링 등을 통해 전도성을 자유자재로 조절 가능한 물질이라고 이해함이 적절하다. 현재의 삼성, LG, 하이닉스 등의 기업들이 뛰어난 일을 해내는 것도 이러한 반도체가 전기전도성을 공학적으로 조절할 수 있기에 원하는 디바이스를 설계할 수 있다는 것이다.

 

Reference

 

1. Britannica, T. Editors of Encyclopaedia (2021, March 5). semiconductor. Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/semiconductor

 

2. Aakash class, IIT JEE Study Material, Semiconductor.

https://byjus.com/jee/semiconductors/

 

3. 진종문 교사, SK 하이닉스 뉴스룸(2019), [반도체 특강] 전자의 존재와 자유전자의 생성에 대하여.

https://news.skhynix.co.kr/post/presence-of-electrons-and-free-electrons

 

4. Hong Xiao, Introduction to semiconductor technology 2nd ed (2012).

 

5. 이건재, IBKS Issue Report (2021-4-13), 전기차 보급 확대를 기다리는 화합물 반도체 [IT(소재,부품,장비)/스몰캡]