반도체의 원리와 구성
반도체는 일반적으로 금속으로 되어있는 전도체와 비전 도체 또는 세라믹이 대부분인 절연체 사이에 전도도가 있는 물질입니다. 반도체는 직접회로로 불리는 IC 또는 마이크로칩이라고도 합니다. 반도체는 실리콘이나 게르마늄과 같은 순수한 원소이거나 갈륨 비소 또는 카드뮴셀레나이드와 같은 화합물 일 수 있습니다. 재료는 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 전자를 통과시키는 도체, 전자의 흐름을 막는 절연체, 특정 조건에서 흐르게 하는 반도체입니다. 이들의 차이는 밴드 갭의 차이로 가장 잘 설명 될 수 있습니다. 밴드 갭은 전자가 존재할 수 없는 물질의 에너지 범위입니다. 도체에는 밴드 갭이 없으므로 전자가 자유롭게 이동하여 전류를 생성 할 수 있습니다. 철, 구리, 은, 금, 알루미늄을 포함한 금속이 대표적인 전도체입니다. 오일, 유리, 고무 및 세라믹과 같은 절연체는 전자의 흐름을 방지하는 큰 밴드 갭을 가지고 있습니다. 반대로 반도체는 밴드 갭이 작으며 물질에 불순물을 추가하여 전자와 전자 홀의 흐름을 제어 할 수 있습니다. 그렇다면 N형 및 P형 반도체에 대해 알아보겠습니다. 순수한 실리콘과 게르마늄 결정은 절연체와 같은 성질을 가지고 있으며 전압이 가해져도 전기가 거의 흐르지 않습니다. 이는 결정격자가 전자를 제자리에 단단히 유지하고 거의 움직이지 못하게 하기 때문입니다. 그러나 인과 같은 극소량의 불순물이 도입되면 일부 전자를 해제하고 결정체에 전도체와 같은 특성을 부여할 수 있습니다. 잉여전자를 생성하는 불순물을 포함하는 반도체를 N형 반도체라 부르며, 붕소와 같은 불순물을 포함하여 전자 결핍을 일으키는 반도체를 P 형 반도체라고 합니다. P형 반도체에서 전자정공이 전하 캐리어 역할을 하여 마치 양으로 전달된 전자가 흐르는 것처럼 행동합니다. P형 반도체와 N형 반도체가 결합되면 복합 소자가 전기장의 방향에 따라 전류 흐름이 방출되거나 중단되는 정류기 효과를 생성합니다. 이를 P-N 접합 다이오드라고 합니다. 그리고 중요한 구성요소 중 하나인 ‘트랜지스터’ 전류 증폭장치에 대해 알아보겠습니다. 트랜지스터는 전기 신호를 증폭하거나 전환하는 데 사용되는 반도체 장치입니다. 트랜지스터라는 이름은 전송과 저항이라는 단어의 조합입니다. 트랜지스터가 개발 된 이유는 반도체로 정류기 효과를 얻었을 때 사람들은 전신 및 전화 용 전기 신호를 증폭하는 반도체 장치가 필요했기 때문입니다. 세계 최초의 MOS 트랜지스터는 1960 년 Bell Labs의 Dawon Kahng과 M. M. Atalla가 만들었습니다. MOS 트랜지스터는 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 트랜지스터입니다. 그들은 P타입 기판과 벽에 의해 분리 된 N타입 기판의 두 영역을 갖습니다. 양의 게이트 전압이 가해지면 P형 기판의 상단이 유도에 의해 전도성이 형성되어 장벽이 낮아지고 두 개의 N형 단자 사이에 전자가 흐르게 됩니다. 실제로 게이트 전압의 약간의 변화는 출력 전류의 변화를 증폭시킵니다. 다음은 반도체의 확장영역 입니다. 오늘날 반도체는 하나 또는 다른 수단으로 자유롭게 제어 할 수 있는 전기 전도성을 가진 재료로 광범위하게 정의 됩니다. 즉, 트랜지스터로 사용할 수 있는 재료는 무엇이든 반도체입니다. 게르마늄과 실리콘이 독점적으로 반도체로 사용되는 시대가 있었고 과거에는 주기율표의 14족 원소 만 반도체로 간주되기도 했습니다. 그러나 화합물 반도체와 유기 반도체에 대한 연구가 진행됨에 따라 반도체의 정의도 특정 요소 그룹이 아닌 모든 종류의 반도체 물질을 포함하도록 변경되었습니다. 최근 반도체 카테고리에 추가 된 제품으로는 이지마 스미오 박사가 발견 한 탄소나노튜브와 시아라카와 히데키 박사와 노벨 화학상을 수상한 사람들이 발견 한 전도성 고분자가 있습니다. 이러한 반도체 재료의 응용은 전 세계의 연구자들에 의해 연구되고 있습니다. 도핑이라는 공정에서 소량의 불순물이 순수한 반도체에 첨가되어 재료의 전도도가 크게 변합니다. 반도체는 전자장치 제조에서 역할을 하기 때문에 우리 삶의 중요한 부분입니다. 전자 장치가 없는 삶을 상상이 안됩니다. 라디오, TV, 컴퓨터, 비디오게임, 의료진단장비와 같은 모든 장비가 전자창치라 할 수 있습니다. 진공관 기술을 사용하여 많은 전자 장치를 만들 수 있지만 지난 50년 동안 반도체 기술의 발전으로 인해 전자 장치가 더 작고 빠르며 정확할 수 있게 되었습니다. 하나의 반도체 칩에는 피라미드에 있는 모든 돌만큼 많은 트랜지스터가 있으며, 오늘날 전 세계적으로 매일 사용되는 기기들에는 천억 개 이상의 집적 회로가 있습니다. 이는 현대의 경이로운 산물이라고도 합니다. 다른 어떤 산업과도 비교할 수 없는 인간의 독창성과 엔지니어링이 기반이 되었기에 지금까지 발전할 수 있었습니다. 반도체 회사는 일반적으로 반도체 생산의 두 가지 주요 단계 인 설계 및 제조를 중심으로 활동하고 운영하고 있습니다. 디자인에만 집중하는 회사를 ‘패브리스’ 회사라고 하며 제조에만 집중하는 회사를 ‘파운드리’라고 합니다. 두 가지를 모두 수행하는 반도체 회사를 통합장치 제조업체 ‘IDM’라고 합니다. 지난 24 시간 동안 반도체기술이 적용된 전자 장치를 보거나 사용한 개수에 대해 생각해 보신적이 있으신가요? 현 시대를 살고 있는 우리에게 반도체는 없어서는 안될 필수요소가 되었습니다. 그렇기에 앞으로 더욱 발전할 신기술로 어떠한 제품이 우리 삶을 더욱 풍족하게 할 지 기대가 되는 바 입니다.
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