반도체

반도체는 전기가 잘 통하는 도체와 통하지 않는 절연체의 중간적 성질을 띤다. 금속과 같은 도체는 온도가 높아지면 전도성이 감소하지만, 반도체는 온도가 높아질수록 전도성이 향상되는 특징이 있다. 또한 빛이나 전기장, 자기장의 영향에 따라 전기적 거동이 민감하게 변하므로 전류의 흐름을 제어하는 용도로 적합하다.

반도체는 순도와 첨가물에 따라 크게 두 가지로 분류한다.

• 진성 반도체(Intrinsic Semiconductor): 불순물이 거의 없는 순수한 상태의 반도체이다. 전하 운반자가 적어 전기 전도도가 매우 낮다.
• 불순물 반도체(Extrinsic Semiconductor): 진성 반도체에 특정 원소를 첨가하여 전도성을 높인 것이다. 첨가하는 원소에 따라 다시 두 종류로 나뉜다.
• n형 반도체: 인(P), 비소(As) 등 5가 원소를 첨가하여 자유 전자가 주요 전하 운반자가 된 형태이다.
• p형 반도체: 붕소(B), 갈륨(Ga) 등 3가 원소를 첨가하여 전자가 빠진 자리인 양공(hole)이 주요 전하 운반자가 된 형태이다.

반도체 소자는 진공관을 대체하며 전자 산업의 소형화와 고효율화를 이끌었다. 가장 널리 쓰이는 소자는 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)으로, 1959년 벨 연구소의 마틴 아탈라와 강대원이 발명했다. MOSFET은 현대 집적 회로의 핵심 구성 요소이며 역사상 가장 많이 제조된 장치로 평가받는다. 이 외에도 한 방향으로만 전류를 보내는 다이오드와 신호를 증폭하는 트랜지스터 등이 있다.

반도체 제조는 고도의 정밀성을 요구하며 주로 청정실(클린룸)에서 이루어진다.

1. 웨이퍼 제조: 규소 잉곳을 얇게 썰어 실리콘 웨이퍼를 만든다.
2. 회로 형성: 포토리소그래피 공정을 통해 웨이퍼 표면에 미세한 회로를 새기고 도핑을 통해 전기적 특성을 부여한다.
3. 다이 분리: 회로 제작이 완료된 웨이퍼를 개별 칩(다이) 단위로 절단한다.
4. 패키징: 분리된 칩을 보호하고 외부 기기와 연결할 수 있도록 포장하여 최종 완제품을 만든다.

전 세계 반도체 산업은 미국, 한국, 대만, 네덜란드 등이 주도하고 있다. 한국은 1983년 대기업들이 메모리 반도체 분야에 본격적으로 투자한 이후, 현재 DRAM과 낸드플래시 시장에서 세계 시장 점유율의 약 70%를 차지하며 압도적인 기술 우위를 점하고 있다. 삼성전자와 SK하이닉스가 대표적인 기업이며, 최근에는 시스템 반도체와 파운드리(위탁 생산) 분야의 경쟁력 강화가 주요 과제로 부각되고 있다.