인문학적 반도체_1. 반도체 작동 원리(1)

2장.반도체는 어떻게 움직이나?

2장. 반도체는 어떻게 움직이나?

반도체는 어떤 힘에 의해 움직일까요? 

세상에는 수많은 힘들이 존재하는데 이 수많은 힘들은 근본적으로 자연계 기본 4가지 힘의 상호 작용에 의해 발생한다고 합니다.  다시 말해 우주에 존재하는 모든 힘들은 자연계 기본 4가지 힘의 상호작용에 의해 만들어집니다.

기본 4가지 힘이란 강한 핵력, 줄여서 강력(Strong Force), 전자기력(Electromagnetic Force), 약한 핵력, 줄여서 약력(Weak Force), 중력(Gravitational Force) 을 의미합니다. 

[ 우주를  움직이는 기본 4가지 힘 ]

강력이란 태양과 같은 항성이  수소의 핵융합 반응으로 나오는 막대한 에너지를 뜻합니다.

약력이란 우라늄을 이용한 원자폭탄이나 원자력 발전할 때 원자핵의 붕괴로 나오는 막대한 에너지를 뜻합니다. 핵융합에 의한 에너지가 핵분열에 의한 에너지보다 에너지 손실이 적어 10배 이상 큰 어마무시한 힘입니다. 지구를 비추는 햇빛의 강력이 원자폭탄의 약력보다 10배나 크다는 의미입니다.

중력은 우리가 잘 알고 있는 뉴턴의 사과처럼 지구가 지구상의 물체를 잡아당기는 힘이나 별과 별 사이에 작용하는 인력으로 작용하는 힘을 의미합니다.

중력을 제외하면, 우리들이 경험하고 이용하는 모든 에너지는 전자기력(전자기 상호작용)입니다.

그만큼 전자기력은 우리들의 현실 생활에 매우 밀접하게 관련되어 있습니다.

반도체도 전자기력에 의해 움직입니다.

더 정확히는 반도체를 구성하는 전자의 이동에 의해 움직입니다.

반도체를 움직이는 전자의 신비한 세상에 오신 것을 환영합니다.

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1. 반도체 작동 원리

1983년 1월 타임지 표지에 나온 올해의 인물은 누구일까요? 예. 바로 컴퓨터입니다.

타임지에서는 매년 1월 달에 전년도 한해 가장 주목받은 인물을 올해의 인물로 선정하는데 타임(TIME)지의 편집진은 고심 끝에 55년의 전통을 깨고 ‘기계’를 ‘올해의 인물’로 선정했습니다.

그래서 표지 제목도 ‘올해의 인물(Man of the Year)’이 아닌 ‘올해의 기계(Machine of the Year)’로 이름 붙여졌습니다.

[ 1983년 타임지 표지 ]

이렇듯 1980년대부터 본격적으로 IBM과 Apple이 개인용 컴퓨터를 내놓으며 PC보편화 시대의 물꼬를 텄습니다.

몇십 년 사이에 급격한 IT기기의 발명으로 우리는 정말 풍요로운 정보화 세상을 살게 되었습니다. 그 바탕에는 당연히 반도체가 있습니다.

이번 시간에는 이런 반도체가 어떻게 작동하는지 그 원리에 대해 알아보는 시간을 가지겠습니다.

반도체는 전자의 운동으로 전기가 통하는데 이를 이해하기 위해서는 원자의 작동원리를 먼저 알아야 합니다.

원자란 무엇인가?

노벨 물리학상을 받은 천재 물리학자인 리처드 파인만은 모든 과학적 지식이 사라지고 단 한 문장만 다음 세대에 전달 할 수 있다면, 가장 적은 낱말로 가장 커다란 정보를 전달 할 수 있는 문장으로 다음과 같이 말했습니다.

모든 것은 원자로 이루어져 있다.

원자는 무엇일까요? 원자는 일상적인 물질을 이루는 가장 작은 단위입니다. 모든 고체, 액체, 기체, 플라즈마가 전부 원자로 이루어져 있습니다. 제 몸도 지금 이 글을 읽고 계신 여러분들의 몸도요.

여기서 원자와 혼동하기 쉬운 개념으로 ＇원소' 를 들 수 있는데, '원자'가 물질을 구성하는 가장 작은 입자, 즉 ＇개수＇의 개념이라고 한다면, '원소'는 물질을 이루는 기본 성분, 즉 ＇종류＇의 개념이라고 하겠습니다. 원자가 화학적으로 결합한 것이 ‘분자’입니다.

예를 들어 수소와 산소가 결합한 물분자(H2O)는 원소로는 수소(H)와 산소(O) 두 종류란 의미이고 원자로는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개라는 의미입니다.

현대 물리학의 관점에서 볼 때 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있으며, 원자핵은 중성자와 양성자로 구성됩니다.

[ 원자의 구조_원자핵(양성자,중성자)과 전자 ]

원자의 크기를 축구 경기장에 비유한다면 원자핵은 경기장 한 가운에 놓여있는 축구공, 전자는 경기장 관람석을 이리저리 돌아다니는 개미 정도 크기에 불과합니다. 즉 원자의 대부분은 신기하게도 텅 비어있습니다.

원자의 중심에는 (+) 전하를 띤 양성자와 전기적으로 중성인 중성자로 구성된 원자핵이 존재하고 원자핵을 중심으로 (-) 전하를 띤 전자가 궤도를 그리면서 돌고 있습니다. 마치 지구가 태양을 둘레로 궤도를 도는 것처럼요.

반도체의 작동원리

전자가 돌고 있는 길을 궤도라 하고, 전자가 많아질수록 궤도는 증가하고 바깥쪽 궤도의 전자들은 핵에서 멀어져 약한 핵력으로 인해 이탈이 쉬워집니다.

가장 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자를 가전자 또는 최외각 전자라고 부릅니다.

반도체의 원재료인 실리콘의 경우 4족 원소라 가전자가 4개입니다. 가장 바깥쪽에서 돌고 있는 가전자는 영향력을 가장 적게 받고 있으므로 어떤 충격 (외부에서의 열 또는 빛 등)을 받으며 손쉽게 이탈할 수 있게 됩니다. 이렇게 이탈된 가전자를 자유전자라고 합니다.

[ 실리콘의 최외각 전자_가전자 ]

원소는 안정된 상태로 있으려는 특징이 있고 최외각 전자 갯수가 8개가 가장 안정된 상태입니다.

따라서 최외각 전자가 4개인 실리콘 단원자는 불안정한 상태라 다른 실리콘 원자 4개와 공유 결합을 통해 안정된 상태를 유지하여 전기적으로 안정된 절연체가 됩니다.

[ 실리콘의 공유결합 ]