[반도체 공부] 아주 쉽게 설명하는 반도체 물리학 2

반갑습니다. 오늘은 우리 일상에서 떼려야 뗄 수 없는 스마트폰이나 컴퓨터 같은 전자기기들이 어떤 원리로 움직이는지 알아보는 시간을 갖겠습니다. 디바이스 물리학이라는 이름은 거창하지만, 사실은 아주 작은 알갱이들의 달리기 시합이라고 생각하면 쉽습니다. 성인 독자분들도 초등학생 아이에게 설명해 준다는 기분으로 가볍게 읽어보시기 바랍니다.

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1. 보이지 않는 작은 세상, 원자와 전자

우리 눈에 보이는 모든 물건은 아주 작은 알갱이인 원자로 이루어져 있습니다. 원자는 가운데에 묵직한 원자핵이 있고, 그 주변을 아주 가벼운 전자들이 뱅글뱅글 돌고 있는 모양입니다. 마치 태양 주위를 도는 지구와 비슷하다고 생각하시면 됩니다.

Simple Model Of Atom Structure With Electrons Orbiting Nucleus Of Three Protons And Neutrons. Scienc

이 전자라는 친구는 아주 활발해서 에너지를 받으면 멀리 도망가기도 하고, 에너지를 잃으면 다시 원자핵 가까이로 돌아오기도 합니다. 전자기기가 작동한다는 것은 바로 이 전자들이 일정한 방향으로 움직인다는 뜻입니다. 우리가 흔히 말하는 전기가 흐른다는 표현이 바로 이것이죠.

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2. 전자들의 아파트, 에너지 밴드

전자들은 원자 안에서 아무 곳이나 마음대로 돌아다니는 것이 아닙니다. 전자들이 살 수 있는 층수가 정해져 있는데, 이를 에너지 밴드라고 부릅니다. 쉽게 말해 전자들이 사는 아파트라고 생각하면 이해가 빠릅니다.

1층에는 이미 전자들이 꽉 차서 살고 있고(가전자대), 위층(전도대)은 텅텅 비어 있습니다. 전자가 전기가 되어 흐르려면 1층에서 위층으로 올라가야 합니다. 하지만 1층과 위층 사이에는 아무도 살 수 없는 빈 공간이 있는데, 이를 금지대 또는 밴드갭이라고 부릅니다.

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3. 도체, 부도체, 그리고 반도체의 차이

물질마다 이 아파트의 구조가 조금씩 다릅니다. 이 구조에 따라 전기가 잘 통하는지가 결정됩니다.

• 도체: 1층과 위층이 거의 붙어 있거나 겹쳐 있습니다. 전자가 살짝만 힘을 내도 바로 위층으로 올라가 쌩쌩 달릴 수 있죠. 구리나 철 같은 금속이 여기에 해당합니다.
• 부도체: 1층과 위층 사이의 간격이 너무 넓습니다. 전자가 아무리 점프해도 위층으로 올라갈 수 없어 전기가 흐르지 못합니다. 고무나 플라스틱이 대표적입니다.
• 반도체: 1층과 위층 사이의 간격이 적당합니다. 평소에는 전기가 안 통하지만, 열을 가하거나 전기를 연결하는 등 마법을 부리면 전자가 위층으로 올라가 전기가 흐르게 됩니다. 실리콘이 바로 이 마법의 주인공입니다.

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4. 반도체에 생명을 불어넣는 법: 도핑

순수한 실리콘은 전기가 잘 통하지 않습니다. 그래서 우리는 여기에 다른 물질을 아주 조금 섞어줍니다. 이를 도핑이라고 합니다. 깨끗한 물에 설탕이나 소금을 타서 맛을 내는 것과 비슷합니다.

• N형 반도체: 전자가 남는 물질을 섞어서 전자들이 넘쳐나게 만든 것입니다. (Negative의 N)
• P형 반도체: 전자가 모자라는 물질을 섞어서 전자가 들어갈 수 있는 빈 구멍(양공)을 만든 것입니다. (Positive의 P)

이렇게 성격이 다른 두 반도체를 붙여놓으면 전기를 한쪽 방향으로만 흐르게 하거나, 흐름을 막을 수도 있는 신기한 장치가 됩니다.

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5. 현대 문명의 핵심, 트랜지스터

이 N형과 P형 반도체를 세 겹으로 쌓으면 트랜지스터라는 위대한 발명품이 탄생합니다. 트랜지스터는 아주 작은 전기 스위치입니다.

수도꼭지를 생각해보세요. 손잡이를 살짝 돌리면 물이 콸콸 쏟아지고, 반대로 돌리면 물이 멈춥니다. 트랜지스터도 작은 전기 신호를 주면 큰 전기를 흐르게 하거나 아예 차단할 수 있습니다.

우리의 스마트폰 안에는 이런 손톱보다 작은 칩 속에 수십억 개의 트랜지스터가 들어있습니다. 이 수십억 개의 스위치가 1초에 수억 번씩 켜졌다 꺼졌다(0과 1)를 반복하며 우리가 유튜브를 보고 게임을 할 수 있게 만들어주는 것입니다.

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마치며

디바이스 물리학은 결국 아주 작은 전자들을 우리가 원하는 대로 움직이게 만드는 방법을 연구하는 학문입니다. 우리가 매일 사용하는 기계들 속에서 이 작은 전자들이 부지런히 아파트 층수를 오르내리며 일하고 있다는 사실, 참 흥미롭지 않나요?

오늘 강의가 여러분과 아이들에게 과학의 즐거움을 전달하는 계기가 되었으면 좋겠습니다. 다음 시간에는 이 트랜지스터들이 어떻게 모여서 복잡한 계산을 하는지 알아보겠습니다. 감사합니다.