반도체 관련 물리전자 기초

1. 반도체 산업 관련 전기적 용어

1. 전하와 캐리어, 전류
 어떤 물질이 가지고 있는 전기의 양을 전하라 한다. 전하는 물질이 가지고 있는 고유한 전기적 성질이자 전기현상을 일으키는 원인이다. 전기가 통한다, 전류가 흐른다 등등 전기와 관련된 모든 것은 전하로부터 시작한다. 모든 전기적인 효과는 전하의 공간적 분포 및 운동에 의해 나타난다고 말할 수 있다. 전하는 플러스(+) 전기와 마이너스(-) 전기에 대응하여 각각 +전하인 양전하와 -전하인 음전하를 정의할 수 있다. 이들은 같은 극끼리는 반발력이 작용하고, 다른 극끼리는 인력이 작용하여 서로 끌어당기는 성질을 지닌다.
 전류(Current)는 이러한 전하들의 흐름을 나타낸 것으로, 단위 시간 동안에 흐른 전하의 양으로 정의한다. 전류의 방향은 이동하는 전하의 극성에 따라 결정된다. 전류의 방향은 양전하의 이동 방향과 동일하며 음전하의 이동 방향과는 반대가 된다. 전하들은 그 자체로 이동할 수는 없고, 특정한 전하를 가진 물질이 이동하여 전기적 효과를 발생한다. 이렇게 특정한 전하를 띄고 전하를 옮기는 물질을 캐리어(Carrier)라고 한다. 양전하와 음전하를 전송하는 캐리어가 다르게 존재한다.
2. 자유전자와 정공
 모든 물질은 원자로 구성되어 있다. 원자를 조금 더 잘게 쪼개어보면 전기적 양성을 띠는 양성자, 전기적 음성을 띠는 전자, 그리고 질량은 있으나 전기적인 특성은 없는 중성자로 나눌 수 있다. 양성자와 전자가 가지는 전하를 기본전하라 하며, 물질의 전하는 기본전하의 정수배 값을 가진다. 이들은 양성자, 중성자와 전자의 전기적 인력으로 결합하여 있어 외부의 힘이 없는 평형 상태에서 별도로 떨어져 존재하지 않는다. 이때 묶여 있는 전자 중 최외각에 있는 전자를 최외각 전자 혹은 가전자(Valence electron)라고 한다. 외부에서 어떠한 전기적 힘이 가해지면 이들 입자는 서로 떨어지게 된다. 이들 중에서 가전자는 상대적으로 작은 에너지에도 결합에서 떨어져 나올 수 있다. 외부의 힘으로 자유롭게 이동할 수 있게 된 전자를 자유전자라 하고, 가전자가 자유 전가가 되어 남는 빈자리를 정공(Hole)이라 한다. 자유전자와 정공은 각각 (-)와 (+) 극성을 띠는 캐리어다. 이들은 반도체 내에서 이온에 비해 이동이 자유로워 이들의 흐름에 따라 전기현상을 해석할 수 있다. 같은 극성이지만 자유전자의 빈자리인 정공과 원자의 원자핵을 구성하는 양성자는 완전히 다른 물질임을 혼동하지 않아야 한다.
3. 전기 에너지와 전압
 전기 에너지는 전기적 위치 에너지(Potential energy)와 운동 에너지(Kinetic energy)의 합으로 구할 수 있다. 따라서 전하가 움직이지 않는 상태를 가정하면 위치 에너지를 구할 수 있다. 전기적 위치 에너지는 물리계 안에 놓은 전하 사이에서 발생하는 정전기력이 변화하는 발생 에너지를 의미한다. 일반적으로 무한 원점으로부터 해당 지점까지 단위 전하를 가져다 놓기 위해 필요한 일을 의미한다.
 어떤 사람이 10m의 높이에서 1kg에 해당하는 물을 물통에 담고 있다가 바닥으로 붓는다고 가정을 하자. 10m 높이 위의 물이 가지고 있는 위치 에너지가 있을 것이다. 물을 붓는 순간부터 중력이라는 어떠한 크기의 장 혹은 힘이 작용하고 이에 따라 물이 아래로 이동하게 된다. 장의 크기에 따라 떨어지는 물은 가속을 하고, 큰 속도를 가진 채로 지면에 부딪히게 될 것이다. 앞의 예를 전기적인 것으로 치환해 보자. 물 분자를 어떠한 캐리어라고 생각한다면, 1kg에 해당하는 물 분자의 수만큼의 전하량이 있다고 여길 수 있다. 또한 물통이 있는 위치인 10m 역시 전기적인 위치로 치환할 수 있다. 이 전기적 위치를 줄여 전위(Electric Potential)라고 하며, 전위의 차이를 전위차 혹은 전압이라 부른다.

2. 원자와 전자

 고체 상태의 반도체 물질에서 전하의 원천은 원자에서 생성되는 캐리어인 자유전자와 정공이다. 다시 원자로 돌아가서 원자의 특성에 대해 조금 더 알아보자.
1. 원자 구조와 오비탈(Orbital)
 원자는 전자와 함께 원자핵을 구성하는 양성자, 중성자로 구성된다. 보어는 수소선 스펙트럼을 통해 전자가 특정한 파장의 에너지만을 방출하는 것을 확인하였다. 곧 전자는 특정 궤도에서만 존재할 수 있으며, 전자가 가질 수 있는 에너지 준위가 특정한 값으로 정해져 있다는 것을 의미한다. 이를 '전가가 양자화되었다'고 표한다. 더 나아가 드 브로이, 슈뢰딩거, 하이젠베르크 등은 전자가 파동의 성질을 지녔다는 사실을 바탕으로 새로운 원자모형을 정리하게 되었다. 이에 따르면 전자는 특정한 순간에 어떠한 위치와 운동량을 동시에 측정하는 것이 불가능하기 때문에, 우리는 전자가 원자핵 주위를 움직이는 궤도를 확률에 기반한 통계적 수치로만 해석할 수 있게 되었다. 이처럼 전자의 정확한 위치는 알 수 없고 확률만을 측정할 수 있다는 사실에 기반한 '전자의 확률적 궤도'를 오비탈(Orbital)이라고 한다. 오비탈에 일정한 순서로 전자가 채워지며, 각 오비탈에는 전자가 최대 2개까지 존재할 수 있다.
2. 주기율표(Periodic Table)
 과학자들은 원자들을 각기 가지고 있는 양성자의 수에 따라 배열하면 비슷한 특성을 가지는 원자들이 주기적으로 나타나는 것을 확인하였다. 이들 원자를 주기적으로 배열한 형태를 주기율표라 한다. 주기율표가 만들어질 때만 해도 많은 원소가 발견되지 못했지만, 주기율표가 구체화한 후에는 주기율표상의 비어 있는 칸에도 특정한 성질을 가지는 원소가 있을 것으로 추측하게 되었고, 이에 따라 새로운 원소의 발견이 앞당겨지기도 하였다.