반도체 소자

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반도체 소자(半導體素子, 영어: semiconductor device) 또는 솔리드 스테이트 소자(영어: solid state device)는 전자공학에서, 반도체전기 전도 특성을 이용한 전자 회로나 비슷한 장치에 주로 쓰이는 부품을 뜻한다.

휴대전화, 컴퓨터, 텔레비전과 같은 현대의 전자제품에 반드시 내장되기 때문에, 공학에서 매우 중요하다. 또한, 반도체 소자의 시장 규모는 2006년에 세계적으로 25조원을 넘었으므로 경제적인 영향도 무시할 수 없다. 이러한 반도체 소자가 가지는 산업상의 중요성을 가리켜서 '반도체는 산업의 쌀이다.'라고 표현하기도 한다.

반도체 소자가 흔히 쓰이기 전에는 전자제품의 능동소자로는 진공이나 기체를 이용한 전자관이 사용되었다. 하지만 반도체소자는 아래와 같은 특징을 지녀서 전자관을 대체하여 향상되었다.

이전의 전자관보다 불리한 단점도 보완하는 방법이 개발되어 더 널리 보급됐다.

대부분의 반도체는 단결정 실리콘을 사용하지만 그외 사용되는 재료는 게르마늄, 갈륨비소(GaAs), 갈륨비소인, 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC) 등이 있다.

반도체 재료의 전도성은 결정구조의 자유전자 과부족이 생기게 하는 불순물에 의해 결정된다. 일반적으로 다수캐리어 (majority carrier) (N형 반도체는 전자, P형 반도체는 양공)를 통하여 담당한다. 그러나 트랜지스터같은 다양한 반도체소자에서 동작하기 위해서는 소수캐리어 (minority carrier) (N형 반도체는 정공, P형 반도체는 전자)가 필요하다.

반도체의 정류효과 (전류를 한쪽으로만 통하는 성질)는 원래 방연광(方鉛鑛)의 결정에서 발견되었다. 초기의 라디오 수신기 (광석 라디오)는 납의 보관도구에 묻은 방연광의 결정의 표면에 "고양이의 수염"이라고 불리는 가는 금속선을 약간 접촉시킨 것이 사용되었다고한다.

가장 초기의 구조이다. 게르마늄 반도체표면에 바늘을 연결해서 단자로 만든 것이다. 1945년에는 다이오드, 1948년에는 트랜지스터가 개발되었다. 점접촉형 다이오드는 단자간 용량이 작고 고주파특성이 좋기 때문에 검파용 다이오드로 널리이용되었으며 현재도 특정용도로 생산되고 있다. 반면 점접촉형 트랜지스터는 트랜지스터 발명 당시의 모양이며, 이미터 단자와 컬렉터 단자의 간격을 미세하고 짧게 유지하는 것이 곤란하고 불안정한 동작 때문에 접합형 트랜지스터로 대체되었다. 이 방식 이외의 반도체는 원칙적으로 모두 접합형 구조로 분류된다.

순수한 반도체단결정을 용해 반도체에 넣어서 천천히 밀어내 막대 모양으로 성장시킨 것이다.

레트그론형

그론확산형

게르마늄 트랜지스터 전성기에 일반적인 제조방법이다. 얇은 N형 단결정을 억셉터가 되는 인듐의 금속알갱이로 양면으로 열접합해서 합금부분에서 확산한 억셉터에 의하여 PNP 구조를 형성한다. (NPN 구조도 있지만, Si 트랜지스터는 사용되지 않음)

단면이 대지 (mesa, 메사) 모양으로 두께 방향으로 전류를 흘리는 것이다. PN 접합 다이오드는 PN, 접합형 트랜지스터는 PNP/NPN, 사이리스터는 PNPN 구조를 형성한다.

2000년대에는 높은 전력용 전력 소자에만 사용되고 있다.

동일한 평면에 단자용 전극을 형성한 것이다. 전류경로를 짧게 하고 고주파 특성이 좋다.

그리고 미세가공으로 많은 소자를 배열해서 사진기술의 응용으로 제조할 수 있기 때문에 정밀하게 대량생산이 된다. 이 특징을 살려서 모노리식 집적회로가 발명되었다.

소자는 회로 내 역할에 따라 능동소자와 수동소자로 분류할 수 있다.

소자는 단자 수에 따라 2단자 소자, 3단자 소자, 다단자 소자 등으로 분류할 수 있다.

오늘날 많이 사용되는 고체소자는 트랜지스터, 전계효과 트랜지스터 (FET), 사이리스터 (SCR), 다이오드 (정류기), 발광 다이오드 (LED) 등이 있다.

반도체 소자는 개별 부품으로도 사용할 수 있지만, 동일한 제조공정으로 제작할 수 있는 다수의 소자를 하나의 기판에 집적하는 집적회로로도 가능하다.

트랜지스터

사이리스터 (SCR)

서울대학교 이탁희 교수 연구팀은 벤젠 단일분자 한개단위로 트랜지스터 소자로서 작동하는 사실을 규명해 지난 2009년 네이처에서 이를 언급한바있다. 2012년에 이를 응요한 분자전자소자를 개발했다. 이러한 연구결과는 소자의 전기적 성질과 분자들간의 전자 이동이 결국 같은 원리를 기반으로하는가라는 매우 도전적인 질문에대한 심도있는 결과에 한걸음 더 접근한 성과로 받아들여지고 있다.[1] 이는 과학적 성과에서 뿐만아니라 친환경적이며 저전력의 기준등에서도 매우 중요한 성과이다.