[반도체] 반도체 정의, 공정

[반도체 정의]

반도체는 상온에서의 전기 전도율이 도체와 절연체의 중간 정도인 물질이다. 즉, 도체와 부도체의 중간 성질을 띄고 있는 물질이다.  순수 반도체는 부도체와 같이 전기가 거의 통하지 않지만, 빛, 열 혹은 특정 불순물을 주입하는 등의 인공적인 조작을 가하면 도체처럼 전기가 흐르기도 한다는 특징을 지니고 있다. 반도체와 도체의 다른 점은 도체는 전기가 잘 통하지만 사람이 조절하기 어렵다는 것이다. 하지만 반도체는 어떤 인공적인 조작을 가하느냐에 따라 물질의 성질을 조절할 수 있다. 그래서 이런 특성을 지닌 반도체는 전자 회로 소자, Diode, 집적 회로, Transister 등의 전자 소자에 널리 쓰인다. 

아래 그림을 통해 조금 더 반도체에 대해 살펴보도록 하겠다. 우선 Energy band gap이라는 것이 있다. Si 원자를 예를 들어 설명해 보면, Si 원자 구조를 통해  각 에너지 레벨에 원자가 들어있다는 것을 알 수 있다. 이런 Si 원자가 결합하게 되면 일부 전자가 들어가 있는 Valence band(가전대역)와 비어있는 전자 궤도로 형성된 Conduction band(전도대역)가 만들어진다. 그리고 가전대역과 전도대역의 간격을 Band gap energy라고 한다.

Energy band gap

 

Band gap 이 없는 도체의 경우 가전대역에서 전도대역으로 전자가 자유롭게 이동이 가능해 전류가 흐르는 성질을 띤다. 부도체의 경우는 이 band gap이 크기 때문에 전자가 전도대역으로 갈 수 있는 확률이 낮아 전류가 흐르지 않게 된다. 그리고 반도체는 전도대역과 가전대역이 약간의 gap을 가지고 띄어져 있는 물질로 앞서 언급했던 것처럼 빛이나 열을 이용하여 인위적으로 전류를 흐르게 할 수 있다. 

 

[반도체 공정]

반도체 전공정은 Ingot wafer를 Cleaning, Deposition, PR Coating, Lithography, Etching 하는 과정이다. 그리고 반도체 후공정은 Packing, Wire Bonding, Bumping, Assembly, Lead Frame, BGA의 과정이다. 전공정은 semiconductor chip 성능을 높이는 과정이라면 후공정은 semiconductor chip에 연결된 성능을 전달하는 과정이다. 반도체의 성능을 위한 조건에는 5가지가 있다. Low Power Consumption, High Speed Programming, Long durability, Strong reliability, High Density가 있다. 이외에도 Market & Cost, 기술 선도, 환경 등도 주요 고려 대상이다. 반도체는 Forward Bias & Reverse Bias에서 depletion region이 변하게 되며, 이에 따라 소자가 켜지거나 꺼지게 된다. 반도체는 이런 PN Junction의 기본적인 성질을 이용해서 상황에 따라 소자를 On/Off 함으로써 Writing & Erasing을 한다.