스마트폰 안에는 손톱보다 작은 칩 하나에 수십억 개의 소자가 들어 있다. 그 칩의 주재료는 금도 구리도 아닌 규소(실리콘)다. 규소는 원래 전기를 잘 흘리지 않는다. 그런데 거기에 다른 원소를 100만 개당 몇 개 꼴로 아주 미량 섞으면, 전기가 흐르는 방식이 통째로 바뀐다. 전기가 잘 통하지도 안 통하지도 않는 이 어정쩡한 물질에 왜 하필 '반(半)도체'라는 이름이 붙었을까.
이 글은 전자 기기 속을 들여다보고 싶은 학생을 위한 것이다. '반만 도체'라는 이상한 말의 뜻을 끝까지 따라가면, 현대 문명을 떠받치는 공학의 입구가 보인다.
전기가 통할지 말지는 무엇이 정하나?
같은 금속은 늘 전기를 잘 통하고, 고무는 늘 안 통한다. 그런데 어떤 물질은 '때에 따라' 통한다. 차가울 땐 거의 안 통하다가 뜨거워지면 통하고, 불순물을 넣으면 통하는 방식이 달라진다. 도체·부도체라는 두 칸으로는 이 물질을 설명할 수 없어서, 그 중간을 가리키는 새 이름이 필요했다.
이 '조건에 따라 달라짐'이야말로 반도체의 가치다. 전기가 늘 흐르는 물질이나 늘 안 흐르는 물질로는 '켜고 끄는' 장치를 만들 수 없다. 반도체는 전압이나 빛, 열 같은 신호에 따라 전기를 흘리거나 막을 수 있어서, 0과 1을 다루는 모든 전자 소자의 재료가 된다. 전기가 통하는 정도 자체가 물질의 성질이라는 점은 전기적 성질 — 도체·부도체·반도체는 무엇이 다른가에서 교과 개념으로 먼저 만날 수 있다.
반도체의 핵심은 '전기가 통한다/안 통한다'가 아니라 '통할지 말지를 우리가 조절할 수 있다'는 데 있다.
이 현상을 다루는 학문은 무엇인가?
반도체공학(semiconductor engineering)은 이런 물질의 전기적 성질을 이해하고, 그것을 원하는 대로 제어해 소자를 설계·제작하는 분야다. 물리학(물질 속 전자의 거동), 화학(원자를 어떻게 배열하고 섞을 것인가), 전자공학(그것으로 회로를 어떻게 구성할 것인가)이 만나는 자리에 있다.
왜 어떤 물질은 통하고 어떤 물질은 안 통하는가를 설명하는 틀이 '에너지 띠(밴드) 이론'이다. 물질 속 전자는 아무 에너지나 가질 수 없고, 허용된 에너지가 연속된 '띠'를 이룬다. 전자로 꽉 찬 띠와 빈 띠 사이의 간격(띠틈)이 아주 크면 전자가 넘어가지 못해 부도체, 간격이 없으면 도체, 적당히 작으면 열이나 빛으로 전자를 넘겨줄 수 있어 반도체가 된다. 같은 원자라도 배열에 따라 성질이 달라진다는 점에서, 재료공학 — 같은 탄소가 흑연도 되고 다이아몬드도 되는 이유와 같은 질문을 전기의 관점에서 던지는 셈이다.
고등학교에서 배운 무엇과 이어지나?
출발점은 통합과학의 '전기적 성질에 따른 물질 구분(도체·부도체·반도체)과 첨단소재' 단원이다. 여기서 반도체가 첨단소재로 처음 등장한다. 더 깊은 뿌리는 화학의 원자 구조와 전자 배치다. 전자가 원자 안에서 특정한 자리에만 들어갈 수 있다는 교과 개념을, 수많은 원자가 모인 고체로 확장한 것이 바로 밴드다.
다만 '에너지 띠'라는 개념 자체는 고교 교과 범위를 넘는 심화 내용이다. 교과에서는 '도체·부도체·반도체가 다르다'는 사실과 반도체가 쓰이는 예까지 배우고, '왜 다른가'를 전자의 에너지로 설명하는 단계는 대학에서 이어진다.
대학에서는 이걸 어떻게 배우나?
반도체공학은 전기·전자공학과, 재료공학과, 물리학과, 또는 반도체 전공을 따로 둔 학과 등에서 다룬다. 학과 이름과 커리큘럼은 대학마다 상당히 다르다. 어떤 곳은 소자 설계에, 어떤 곳은 재료·공정에, 어떤 곳은 회로에 무게를 둔다.
공통적으로는 고체 속 전자의 거동을 설명하는 이론(여기서 밴드가 본격 등장한다), 반도체에 불순물을 넣어 성질을 조절하는 원리, 그리고 그것으로 트랜지스터 같은 소자를 만드는 과정을 배운다. 전자의 상태가 확정이 아니라 확률로 다뤄진다는 점에서, 양자역학 — '관측하면 달라진다'는 말이 정말 뜻하는 것의 사고방식이 바탕에 깔린다.
여기서 뻗어 나갈 탐구 질문 3가지
- 순수한 규소는 전기를 거의 안 통하는데, 다른 원소를 100만 개당 몇 개만 섞어도 성질이 크게 바뀐다. '아주 조금'이 이렇게 큰 차이를 만드는 일이 반도체 말고 또 어디에 있을까?
- 반도체는 온도가 올라가면 전기를 더 잘 통하고, 금속은 반대로 더 못 통한다. 같은 '온도 상승'이 두 물질에 정반대로 작용하는 이유를 전자의 입장에서 설명할 수 있을까?
- 빛을 받으면 전기를 흘리는 반도체(태양전지·광센서)와, 전기를 흘리면 빛을 내는 반도체(LED)는 같은 원리의 앞뒤일까? 에너지가 들어오고 나가는 방향으로 둘을 이어 볼 수 있을까?
한 줄 요약
반도체는 전기가 '통할지 말지를 조절할 수 있는' 물질이고, 반도체공학은 전자의 에너지 띠를 이해해 그 조절을 설계하는 학문이다.
전기·전자나 재료 쪽에 관심이 있다면, 교과에서 만난 '도체·부도체·반도체'라는 한 줄을 '왜 다른가'로 끝까지 파고드는 탐구가 깊이를 만든다. TimeLevelUp으로 궁금증을 기록하고 교과 개념에서 학문으로 넘어가는 다리를 단계별로 남기면, 산만한 조사가 아니라 한 질문을 깊게 판 활동으로 정리된다.