✅ ③ 반도체란 무엇인가? — 고등학생을 위한 쉬운 전기·전자 원리 가이드
도체·부도체·반도체의 차이부터 도핑, pn접합, 다이오드/트랜지스터까지 한 번에 정리!
1) 도체·부도체·반도체… 뭐가 다를까?
전기가 “잘” 흐르느냐가 핵심이야. 전기는 전자들이 이동하는 현상이고, 전자들이 얼마나 자유롭게 움직일 수 있는지가 재료마다 다르거든.
도체(예: 구리, 알루미늄)
전자들이 자유롭게 돌아다녀서 전기가 매우 잘 흐름.
👉 비유: 복도에 학생이 거의 없어서 마음껏 달릴 수 있는 상황.
부도체(예: 유리, 고무)
전자들이 원자에 꽉 붙잡혀 있어 거의 못 움직임.
👉 비유: 학생들이 의자에 묶여 있어 움직일 수 없는 상황.
반도체(예: 실리콘, 게르마늄)
평소엔 잘 안 흐르지만, 조건(열·빛·전압·불순물 도핑)을 주면 전기가 흐르게 “바뀜”.
👉 비유: 평소엔 교실에 있지만, 종 치면 이동 시작! “조건”에 반응해 움직임이 달라져.
2) “밴드갭”이 왜 중요해? (전자가 점프할 수 있느냐의 문제)
전자들이 차 있는 영역을 가전자대(Valence Band), 이동 자유도를 얻는 영역을 전도대(Conduction Band)라고 해.
이 둘 사이의 틈(에너지 차)을 밴드갭(Band Gap)이라고 부르지.
도체: 가전자대와 전도대가 겹치거나 틈이 거의 없음 → 항상 잘 흐름.
부도체: 틈이 너무 큼 → 웬만한 에너지로는 점프 불가 → 안 흐름.
반도체: 적당한 틈 → 열·빛·전압 같은 에너지를 주면 전자가 점프해서 흐를 수 있음.
💡 핵심 이미지:
전자가 밴드갭을 “점프”해서 전도대로 가면 전류가 흐른다.
온도가 올라가면(열 에너지) 혹은 빛이 들어오면(광 에너지), 점프가 쉬워짐 → 온도·빛에 민감한 센서들이 반도체로 만들어지는 이유!
3) 도핑(Doping): “성격 바꾸기” 기술
순수 실리콘은 솔직히 전기 잘 못 흘려. 그래서 아주 조금의 다른 원소를 섞어(수 ppm~ppb 수준) 전하 운반자(carrier) 수를 늘려줘. 이게 바로 도핑이야.
n형(negative): 전자(e⁻)가 주인공
→ 15족 원소(인 P, 비소 As 등)를 섞음. 전자 한 개가 “남아서” 자유전자 증가.
→ 비유: 전자라는 “공”이 많아져 공을 주고받기 쉬운 팀.
p형(positive): 정공(h⁺, 전자가 비어 생긴 ‘빈 자리’)이 주인공
→ 13족 원소(붕소 B, 알루미늄 Al 등)를 섞음. 전자 하나가 “모자라서” 빈자리(정공) 증가.
→ 비유: 공은 부족하지만 “빈 자리”가 많아져 그 빈자리가 이동하며 패스가 이루어지는 팀.
💬 포인트: 전자(e⁻)가 움직이든, 빈자리(h⁺)가 움직이든 결과는 전류 흐름!
4) pn 접합: 반도체의 “문지기”가 탄생하는 순간
n형과 p형을 딱 붙이면 경계에서 신기한 일이 일어나.
확산:
n형 쪽 전자들은 p형 쪽의 정공과 만나 “결합”하려고 이동.
p형 쪽 정공도 n형 쪽으로 이동해 결합.
경계에 전자가/정공이 사라진 텅 빈 영역이 생기는데, 이걸 공핍층이라고 해.
내부 전기장 형성:
경계에 양·음 전하가 고정되며 내부 전기장이 만들어져,
아무 전압도 안 걸면 쉽게 못 지나가게 장벽(내부 장벽, built-in potential)을 세우지.
이제 여기에 전압을 걸어보자.
순방향(Forward Bias):
p형을 +, n형을 −로 연결 → 장벽이 낮아져 전자가 경계를 통과함 → 전류 흐름 O
👉 문지기가 문을 열어준 느낌.
역방향(Reverse Bias):
p형을 −, n형을 +로 연결 → 장벽이 더 높아져 전류 차단 → 전류 흐름 X
👉 문지기가 문을 더 꽉 잠근 느낌.
이 단방향 성질을 이용한 소자가 다이오드야.
→ 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 해서 정류(AC→DC 변환), 보호회로, 센서 등에 많이 쓰여.
5) 트랜지스터: 스위치이자 증폭기 (세상을 바꾼 3단 구조)
pn 접합 두 개를 이어 붙이면 트랜지스터(BJT)가 돼. 많이 쓰는 건 npn 또는 pnp 구조.
구조 이름:
에미터(Emitter)–베이스(Base)–컬렉터(Collector) 세 단자.
핵심 아이디어:
베이스에 아주 작은 전류를 흘려주면, 컬렉터–에미터 사이에 큰 전류가 흐르도록 “제어”할 수 있어.
→ 작은 신호로 큰 전류를 조절 = 증폭기
→ 켜고/끄고만 쓰면 디지털 스위치
💬 컴퓨터가 0과 1을 다루는 이유
트랜지스터를 완전히 끄기(0) / 완전히 켜기(1) 모드로 쓰면 노이즈에 강한 디지털 회로가 됨.
이 스위치들을 게이트(AND/OR/NOT/NAND…)로 쌓으면 논리회로 → 가산기 → CPU까지 만들어지는 거야.
6) “MOSFET” 미리 보기
오늘날 디지털 회로의 주인공은 MOSFET(금속–산화막–반도체 전계효과 트랜지스터)이야.
BJT가 전류로 제어한다면, MOSFET은 전압으로 제어하는 게 특징이라 전력 소모가 적고 집적에 유리해.
게이트 전압으로 채널의 전자 통로(스위치 ON/OFF)를 열고 닫는 방식.
이 소자들이 수십억 개가 한 칩 안에 들어있는 게 CPU, 메모리, SoC 등!
7) 핵심 요약 체크리스트 ✅
반도체는 밴드갭이 적당해서 조건(열·빛·전압·도핑)에 따라 전자가 이동할 수 있다.
도핑으로 n형(전자↑) / p형(정공↑) 을 만든다.
pn 접합은 공핍층과 내부 전기장 덕분에 다이오드처럼 한 방향으로만 전류를 흐르게 한다.
트랜지스터는 작은 신호로 큰 전류를 제어(증폭)하거나, 완전 ON/OFF 스위치로 디지털 회로를 만든다.
다음 편의 MOSFET은 “전압으로 여닫는 스위치”라서 초저전력·초대규모 집적에 최적!
다음 ④편에서는 MOSFET의 구조·동작(채널 형성, 임계전압), 논리 게이트 구현(NAND가 왜 그렇게 중요한가), 1자리 덧셈기가 8자리·CPU로 확장되는 과정까지 ‘회로–컴퓨터’ 연결고리를 한 번에 보여줄게. 준비됐으면 바로 이어갈게!