물질의 전기적 성질 {반도체}

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통합과학 전개도

 

판서 조직도

 

21세기 정보 혁명의 주인공, 반도체. 이들은 20세기 '원자'라는 무미건조한 물체에 대한 이해 없이는 존재할 수 없었을 겁니다.

뭐?!! 원자가 쪼개졌다고?!!

톰슨은 실험을 통해 원자보다 훨씬 작고 가벼운 전자를 발견합니다. "원자는 더 이상 쪼개질 수 없다"는 돌턴의 주장을 반증함으로써 원자보다 더 작고 근본적인 무언가를 발견한 셈이죠. 이후 톰슨의 제자, 러더퍼드가 원자핵을 발견함으로써 원자는 한 번 더 쪼개지게 됩니다. 더불어 그는 원자의 구조로써 전자가 원자핵 주위를 공전하는 태양계 모형을 제안합니다. '지구의 공전'이 '태양-지구 간 중력에 기인하듯' 전자의 공전은 전자-원자핵 간 전기력에서 비롯된다는 식이죠. 톰슨과 러더퍼드, 스승과 제자의 관계에서 비롯된 원자의 구조는 현대의 원자 모형으로 발전하기까지 중요한 이론적 토대가 됩니다. 

 

 

러더퍼드는 톰슨의 실험적 기반 위에 서 있었고, 현대의 원자 모형은 러더퍼드의 이론이 없었다면 등장하지 못했을 겁니다. 현대의 원자 모형이 등장하지 않았다면 오늘 공부할 반도체의 잠재력은 이 세상에 발현되지 않았을 테고요. 이렇듯 물리학은 관계의 역사이며, 연속된 깨달음의 서사입니다. 반도체의 잠재력을 설명하는 관계의 물리학, 그리고 그 결을 공유하는 삶의 관계학, 그 모든 것에 대한 이야기를 오늘 공부할 물리학이 귀띔해줍니다.

 

1. 전기적 성질에 따른 물질의 구분

1) 자유 전자

 

원자내의 전자는 원자핵과의 전기력으로 원자에 속박되어 있어 자유롭게 이동하지 못하지만, 속박된 전자가 원자 사이의 상호 작용 또는 에너지를 얻어 원자에서 떨어져 나와 물질 내를 자유롭게 이동할 수 있는데, 이 전자를 자유 전자라 합니다.

 

전자는 빨갛지도, 단단하지도 않다.

 

사물의 독특함은 그 안에 본질적으로 박혀 있는 무엇이 아니라 그것을 이루는 구성 요소들이 어떻게 서로에게 반응하느냐에 달려 있습니다. 사과, 빨갛죠. 하지만 그걸 이루는 전자가 빨갛지는 않습니다. 탁자, 단단하죠. 하지만 그걸 이루는 전자는 텅 빈 공간입니다. 붉음도 단단함도 입자 자체의 속성이 아닙니다. 우리가 보고 접하는 세계는 입자가 무엇이냐보다, 입자가 무엇과 어떤 상호 작용을 하느냐에 따라 그 모습을 달리합니다. 그러니 존재란 관계의 방식입니다.    

2) 전기적 성질에 따른 물질의 구분

물질은 자유 전자의 이동에 따라, 즉 자유 전자가 주변과 어떻게 상호 작용하느냐에 따라 전기적 정체성이 다른 도체, 부도체, 반도체로 정의됩니다. 

 

그림과 같이 도체는 자유 전자가 많아 전류가 잘 흐르는 물질로 철, 구리를 비롯한 금속 대부분이 도체입니다. 부도체(=절연체)는 자유 전자가 거의 없어 전류가 잘 흐르지 않는 물질로 고무, 유리, 플라스틱 등이 있습니다. 반도체는 특정 조건에서 자유 전자가 생겨 전류가 흐르는 물질로 규소와 저마늄이 있습니다. 

 

인간(人間), 사람과 사람 사이

 

인간 또한 단독으로 존재하는 것이 아니라, 타인과의 관계 속에서 자신을 정의하게 됩니다. 너와 내가 서로에게 어떻게 반응하고, 어떻게 조화를 이루며 살아가는지가 우리 존재를 형성한다는 거죠. 결국 존재란 관계의 방식입니다.

 

전류의 방향과 전자의 이동 방향

 

전류는 전지의 (+)극에서 (-)극으로 이동하며, 자유 전자의 운동 방향은 그 반대입니다.

 

2. 반도체의 전기적 성질

1) 순수 반도체

규소 원자 내의 14개 전자는 왼쪽 그림과 같이 가장 낮은 에너지 준위부터 차례대로 채워갑니다. 가장 바깥쪽 궤도에 존재하는 4개의 전자는 비교적 원자핵으로부터 자유롭다 보니 화학 결합의 참여가 쉬운 상태인데요. 이러한 전자를 원자가 전자라고 합니다. 순수 반도체인 저마늄(Ge), 규소(Si) 원자 모두 원자가 전자를 4개 가지고 있습니다.

 

 

규소의 공유결합

 

공유 결합은 순간 이동이다.

 

수소 분자 H2를 생각해 봅시다. 이것은 두 개의 수소 원자가 결합한 것이에요. 수소 원자 두 개가 가까워지면, 두 개의 원자핵과 두 개의 전자가 만드는 새로운 양자 상태가 생깁니다. 쉽게 말해서 양자 역학으로 풀어봐야 안다는 말이죠. 비유하자면 수소 원자들이 충분히 가까워지면 두 수소 원자 사이에 순간이동 통로가 생깁니다. 이 통로를 통해 전자는 두 수소 모두에 존재하게 됩니다. 그래서 사실상 두 수소는 하나의 수소가 되었다고 볼 수 있어요. 이렇게 두 원자는 하나가 되는 거예요. 이를 공유 결합이라 합니다. 나와 친구가 각각 수박을 하나씩 가지고 있는데, 서로 상대 수박을 가져오려 한다면 우리 두 사람은 수박 두 개를 공동으로 소유하게 되는 거와 같죠.

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각각의 규소 원자의 원자가 전자는 인접한 규소 원자의 원자가 전자들과 공유 결합을 하여 결정을 이루게 되는데, 이 결정이 바로 순수 반도체입니다. 반도체는 전자 기기에 들어가는 부품이다 보니 전류가 흘러야 될 거 같긴 하고, 뭔가 이름이 '반'도체라서 도체에 비해 전류가 약하게 흐르거나 절반만 흐를 거 같은 느낌입니다. 그러나 순수 반도체의 전기 전도도는 거의 부도체에 가까워요. 다시 말해 순수 반도체는 전자 제품으로써 상품적 가치가 떨어집니다. 어떻게 하면 반도체의 전기 전도성을 좋게 할 수 있을까요? 전기 전도성을 올린다는 것은 전하의 유동성을 늘린다는 걸 의미해요. 따라서 순수 반도체에 다른 물질을 첨가하면 전하의 유동성이 늘어납니다.

 

2) 불순물 반도체

① n형 반도체, 전자가 양공보다 많음

n형 반도체의 원자 구조

 

Si 규소 결정에 원자가 전자가 5개인 안티모니 Sb를 주입하면, Sb의 전자 4개는 각각 이웃한 Si 원자가 전자와 공유 결합을 하고, 남은 1개의 잉여 전자는 결합할 짝이 없어서 자유롭게 돌아다닐 수 있는 자유 전자가 됩니다. 여러 개의 Sb 원자를 첨가하면 자유 전자의 수는 그만큼 많아지는 거고 그에 따라 전기 전도성이 좋아지겠죠? 이렇게 불순물 주입으로 인해 전자가 양공보다 많은 반도체를 n형 반도체라고 합니다.

 

② p형 반도체, 양공이 전자보다 더 많음

p형 반도체의 원자 격자 구조

 

Si 규소 결정에 원자가 전자가 3개인 붕소 B를 주입하면, B의 전자 3개는 각각 이웃한 Si의 원자가 전자 3개와 공유 결합을 합니다. 그러나 나머지 Si의 원자가 전자 1개는 공유 결합할 전자가 없기 때문에 양공이 생기죠. 양공을 주변의 전자가 채워가는 과정은 곧 양전하의 이동과 같고, B를 많이 주입할수록 양공의 수가 많아지기에 전기 전도성이 좋아집니다. 이렇게 불순물 주입으로 인해 양공이 전자보다 많은 반도체를 p형 반도체라고 합니다.

 

3. 물질의 전기적 성질 활용

일상생활에서 볼 수 있는 여러 제품들, 특히 첨단 전자기기들은 도체, 부도체, 반도체로 구성되어 있습니다.

1) 도체와 부도체의 활용

① 도체

도체는 전기 전도도가 커서 주로 전기 부품이나 전기 장치를 연결하는 소재로 활용됩니다.

피뢰침	전도성 실	전선	정전기 방지 패드

② 부도체

부도체는 전기 전도도가 매우 작아 전기 절연 소재로 활용됩니다.

전선의 피복	절연 장갑	절연 테이프

 

2) 반도체의 활용

반도체 소자는 전류 제어, 신호 증폭 및 스위치, 데이터 처리 및 저장 등 전기적 신호를 처리하는 등 전자기기의 주요 장치로 활용됩니다.

① 다이오드

 

n형 반도체와 p형 반도체를 결합한 소자로, 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 정류 작용을 합니다. 마치 정류장을 지나치는 버스나 지하철이 한 방향으로만 운행하는 것처럼요. 충전기의 어댑터로 활용됩니다.

 

② 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)

 

전류가 흐르면 빛이 방출되는 소자로 첨가하는 원소에 따라 방출하는 빛의 색이 달라 빛의 3원색을 구현할 수 있습니다. 시계, 전자 장치 외에 많은 장치의 디스플레이에 사용됩니다.

 

③ 트랜지스터

 

n형 반도체와 p형 반도체를 복합적으로 결합한 소자로, 증폭 작용, 스위치 작용을 합니다. 전자 제품의 성능 향상 및 소형화에 큰 기여를 한 부품입니다.

 

④ 집적 회로(Integrated Circuit, IC)

 

매우 많은 트랜지스터나 다이오드 등을 하나의 칩으로 작게 만든 것으로, 회로 사이의 거리가 짧아 신호를 빠르게 전달할 수 있습니다. 집적 회로는 데이터를 처리하거나 저장하는 등, 컴퓨터나 스마트폰의 중앙 처리 장치에 활용됩니다.

 

자율주행 중 신호 감지 및 통신	인공지능 연산	태양 에너지를 전기 에너지로 변환

 

더불어 반도체는 조건에 따라 전기 전도도가 달라지는 다양한 반도체 소자로 제작되어 온도, 습도, 압력, 가스, 자외선 등을 감지하는 각종 센서로 이용됩니다. 또한 디스플레이, 자율주행 장치, 태양광 발전 장치, 인공지능 장치 등 첨단 기술의 핵심 소재로 널리 이용되고 있습니다.

 

반도체의 가치, 같이의 가치

 

반도체는 그 자체만으로는 상품의 가치가 없습니다. 반도체는 다른 것과 섞이고, 그 관계 속에서 존재감을 드러내며 같이의 가치를 발휘해요. 그렇기에 반도체에서 비롯된 IT 기술이 개막한 초연결 네트워크 시대는 우리에게 경쟁을 통한 생존보다는 협업을 통한 공존을 요구하는 게 아닐까요?

 

 

무한한 정보와 기술에도 불구하고 효과적으로 대처하기 어려운 불확실성이 커져가는 시대입니다. 인류에게는 대유행 감염병, 대규모의 재난, 기후변화, 환경오염 등 수많은 도전이 기다리고 있습니다. 서로 의심하고 증오하기보다 신뢰하고 나누는 공동체 의식으로 연대할 때 인류는 생존하고 번영할 수 있지 않을까요?

 

바람의 빛깔 - 오연준

https://www.youtube.com/watch?v=RDtvoUZ4kD0 

 

 

아메리카를 개척하기 위해 바다를 건너온 영국인 존 스미스와 아메리카 원주민 포카혼타스, 처음에는 서로를 낯설어하고 이질적으로 대했지만, 점차 상대의 언어를 배우고 자연과 조화를 이루는 삶의 방식을 이해하면서, 다름 속의 공존 가능성을 배우고, 같이의 가치를 노래합니다.

 

서로 다른 것끼리 어우러져 하나가 됨으로써 순수 그 이상의 가치를 발휘할 수 있다는 반도체가 전하는 관계의 물리학을 통해 존재란 관계의 방식이며, 진정한 삶은 같이의 실천 속에서 피어난다는 삶의 관계학을 배웠습니다. 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.