반도체란, 사전적 정의로는 전기 전도율이 도체와
부도체 사이인 물질을 말한다.
처음에는 반도체도 부도체의 성질을 갖는다. 그러나 열을 가해주거나 불순물을 섞어주는 도핑 등을 가해주면 도체의 성질을 갖게 된다.
반도체의 원리는 에너지띠 이론을 이용해 설명할 수 있다.
Valence Ban, 즉 '원자가 띠'에 있는 전자가 Conduction Band, 전도띠로 올라가면 자유전자가 되어 도체의 성질을 가질 수 있다.
두 띠 사이의 길이인 밴드갭이 크면 클수록 자유전자가 되기 힘들고,
밴드갭의 길이가 작으면 자유전자가 되기 쉽다.
즉, 부도체는 밴드갭이 크고 도체는 밴드갭이 작으며
반도체는 도체와 부도체의 밴드갭 길이의 중간 정도 크기를 갖기 떄문에 도체와 부도체의 중간성질을 갖는 것이다.
반도체의 종류는 수만가지지만, 가장 크게 나누면 P형반도체와 N형 반도체로 나눌 수 있다.
P형반도체는 14족 반도체 원소인 Si에 13족 원소인 B, Al 등을 도핑하여 만든 반도체이다. 13족 원소를 도핑하게 되면
전자가 빈 자리인 양공이 생긴다.
양공을 통해 전자가 흐르게 되고, 전자가 흐르며 전류가 생기는 것이다. 양공은 상대적으로 +전하를 띠기 때문에 Positive --> P형 반도체가 된 것이다.
N형반도체는 14족 반도체 원소인 Si에 15족 원소인 P 등을 도핑하여 만든 반도체이다.
15족 원소를 도핑하게 되면 남는전자인 자유전자가 생성된다.
자유전자는 자유롭게 이동할 수 있다. 이 자유전자를 통해 전류가 흐르는 것이다. 자유전자는 -극을 띠기 때문에
Negative --> N형반도체가 된 것이다.
반도체소자가 처음 개발되기 전, 반도체를 대신해 진공관소자가 사용되었다.
진공관은 지금의 반도체와 같은 역할을 하였지만, 단점들이 많이 있었다.
사용하기 위해 온도를 높여야 했고, 많은 전력이 필요하였으며 내구성이 떨어지는 것 등 많은 단점들이 있었다.
결국 "어떻게 오래 사용하며 적은 전기를 쓰는 증폭기를 만들까"라는 숙제가 생겼다. 이를 위해 벨 연구소를 설립했다.
마침내 1947년 12월, 벨 연구소에서 저마늄에 금을 붙여서 전기신호를 증폭하는 최초의 트랜지스터가 만들어졌다.
이후 트랜지스터는 컴퓨터 논리 연산을 위한 스위치 소자로 폭발적인 수요를 갖게 된다.
반도체의 시대가 시작된 것이다.