1편 - 반도체의 기초와 원리: 밴드갭·도핑·PN접합까지 한 번에 이해

반도체의 기초와 원리: 밴드갭·도핑·PN접합까지 한 번에 이해

반도체는 스마트폰부터 데이터센터까지 모든 전자의 심장입니다. 왜 실리콘이 ‘표준’이 되었고, 밴드갭·도핑·PN접합이 왜 중요한지 근거와 함께 정리합니다.

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1) 밴드 구조와 밴드갭( Band Structure & Band Gap )

원자 궤도가 겹치면서 에너지 밴드가 형성되고, 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band) 사이에는 밴드갭(E_g)이 존재합니다. 밴드갭이 크면 전류가 잘 흐르지 않아 절연체에 가깝고, 작으면 도체에 가까워집니다. 실리콘(Si)은 상온에서 약 1.12 eV의 간접 밴드갭을 지녀 기계적·열적 안정성과 공정성 면에서 산업 표준이 되었습니다. 광자 에너지 등 외부 자극으로 전자-정공 쌍이 생성되며 전기전도에 기여합니다.

[그림1] 전자 밴드 구조 개념도

[그림2] 반도체/절연체의 에너지 밴드 다이어그램

2) 캐리어 거동: 드리프트·확산·산란

전하 운반자인 전자(e^-)와 정공(h⁺)은 전기장에서 드리프트하고, 농도 구배에서 확산합니다. 거시적 수송은 준고전적 Boltzmann 수송 방정식(BTE)으로 기술되며, 미세 스케일에서는 포논(phonon)·계면 거칠기·이온화 불순물 산란이 이동도(μ)와 저항에 큰 영향을 줍니다. 채널 길이가 수 nm로 짧아질수록 충돌-무관 탄도 수송 및 터널링 같은 양자 효과 비중이 커집니다.

[그림3] 포논 관련 에너지 전이 개략도

3) 도핑과 페르미 준위, 유효 밀도

도핑(doping)은 5족(예: P) 혹은 3족(예: B) 불순물을 주입해 n형/ p형 반도체를 만드는 과정입니다. 도너/억셉터 준위가 생기면서 페르미 준위(E_F)가 이동하고, 전자·정공 농도와 전도도가 달라집니다. 도핑 농도·온도·유효 상태 밀도(N_c, N_v)에 따라 캐리어 농도가 지수적으로 변해 장치 특성(문턱전압, 누설, 접촉저항)을 좌우합니다.

[그림4] n/p형 도핑과 페르미 준위 변화

[그림5] 금속·반도체·절연체의 밴드 점유 비교

4) PN 접합과 공간 전하 영역

n형과 p형을 맞닿게 하면 확산·이동으로 전하가 재분포되어 공간 전하 영역(depletion region)이 형성됩니다. 이 영역에 생기는 내장전위(V_bi)는 정류(diode) 동작의 기초가 됩니다. 순방향 전압에서 장벽이 낮아져 전류가 급증하고, 역방향에서는 소수 캐리어 전류만 흐르다 항복 영역에서는 지너/애벌란치 현상이 발생할 수 있습니다.

[그림6] PN 접합의 확산/드리프트와 전하 분포

[그림7] 역바이어스 PN 다이오드의 밴드 다이어그램

[그림8] 다이오드 I–V 특성 곡선

5) 스케일 축소와 나노소자 물리

선폭이 수 nm로 줄어들면 양자 터널링에 의한 게이트 누설, 단채널 효과에 의한 문턱 전압 약화, 접촉 저항 지배, 통계 변동성이 급격히 커집니다. 이로 인해 FinFET에서 GAA(nanosheet) FET로의 구조 전환, 고유전율 게이트 유전체, 저저항 금속 게이트/컨택트, 스트레인 공학 등의 솔루션이 병행됩니다.

[그림9] FinFET 구조 개요

[그림10] 실리콘 밴드 구조 스키매틱

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결론: 기초를 정확히 이해해야 공정·회로가 보입니다

밴드갭—캐리어 수송—도핑/접합—나노스케일 효과까지의 연쇄를 잡아두면, 2편(제조 공정), 3편(산업 구조), 4편(첨단 공정·HBM), 5편(미래 응용)을 훨씬 빠르게 이해할 수 있습니다.

다음 편(제조 공정) 보기 전에 기초 개념 체크하기

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자주 묻는 질문(FAQ)

Q1. 실리콘 대신 갈륨나이트라이드(GaN)·실리콘카바이드(SiC)는 왜 주목받나요?

이들은 넓은 밴드갭(WBG) 반도체로 고전압·고주파·고온에서 손실이 낮아 전력전자·EV·고효율 전원에 유리합니다. 다만 웨이퍼 가격과 공정 성숙도가 관건입니다.

Q2. 도핑 농도가 높아지면 항상 좋나요?

접촉저항·시트저항 관점에선 유리하지만, 산란 증가로 이동도가 떨어지고 접합 용량·누설이 커질 수 있습니다. 소자 요구에 맞는 최적점이 중요합니다.

Q3. PN 접합 없이도 다이오드를 만들 수 있나요?

가능합니다. 쇼트키(금속-반도체) 접합은 빠른 스위칭이 장점이며, 누설·온도 의존성이 커 소자 설계에서 절충이 필요합니다.

Q4. 나노스케일에서 접촉저항이 왜 문제인가요?

채널 저항보다 컨택트가 지배적이 되기 때문입니다. 페르미 레벨 고정, 계면 상태, 금속 침투 등으로 “접촉 공학”이 성능의 병목이 됩니다.

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키워드: 반도체 기초, 밴드갭, 도핑, PN 접합, 캐리어 이동도, 터널링, GAA, FinFET