반도체

반도체(semiconductor)는 상온에서 전기 전도율이 도체(전도체)인 구리와 부도체(절연체)인 유리나 애자 사이의 중간 정도를 가지는 물질입니다. 반도체의 전도도는 외부에서 가해진 전압, 열, 빛의 파장 등에 따라 변할 수 있으며, 주로 규소 결정에 불순물을 첨가하여 만듭니다. 이러한 반도체는 주로 증폭 장치와 계산 장치에 사용되는 집적회로(IC)를 만드는 데 활용됩니다.

반도체는 매우 낮은 온도에서는 부도체처럼 작동하지만, 실온에서는 도체처럼 작동하는 특징이 있습니다. 부도체와의 주요 차이점은, 부도체는 에너지 띠틈이 커서 전자가 전도띠로 쉽게 이동하지 못하는 반면, 반도체는 에너지 띠틈이 작아 실온에서 전자가 전도띠로 쉽게 올라갈 수 있다는 점입니다. 도체와의 차이점으로는, 도체는 절대 영도에서도 전자띠가 일부만 차 있는 반면, 반도체는 전자띠가 가득 차 있다는 점이 있습니다.

반도체에 대한 이해의 역사는 물질의 전기적 특성을 연구하는 실험에서 비롯되었습니다. 19세기 초부터 저항의 온도계수, 정류 효과, 광민감도 등의 현상이 관찰되며 반도체 연구가 시작되었습니다.

반도체의 띠구조는 가득 찬 원자가띠와 비어있는 전도띠로 구성되며, 페르미 준위는 이 둘 사이의 금지된 띠틈 안에 위치합니다. 반도체는 절대 영도에서 원자가띠가 완전히 차 있는 고체로, 전자의 페르미 에너지가 금지된 띠틈에 있습니다. 실온에서는 전자 분포가 조금 흐트러지며, 일부 전자가 에너지 띠간격을 넘어 전도띠로 이동하게 됩니다. 이러한 전자들은 원자와의 공유결합을 끊고 자유롭게 이동하며 전류를 생성합니다.

공유결합에서 전자가 빠져나가면 전자가 부족한 상태, 즉 양공이 발생하게 됩니다. 양공은 그 자체로 움직이는 것이 아니라, 주변 전자가 움직여 양공을 메우면서 양공이 이동하는 것처럼 보입니다.

도체와 반도체의 차이점 중 하나는 반도체에서는 전류가 흐를 때 전자와 양공이 모두 이동한다는 점입니다. 반면, 도체에서는 페르미 준위가 전도띠 안에 위치하여 전도띠가 일부만 전자로 채워져 있습니다. 이 경우, 전자가 비어있는 상태로 이동하는 데 필요한 에너지가 적어 전류가 잘 흐릅니다.

반도체에서 전자가 가전자대에서 전도띠로 얼마나 쉽게 이동하는지는 띠틈의 크기에 달려 있습니다. 일반적으로 에너지 띠틈이 2eV 이하인 물질은 반도체로 간주되며, 그보다 큰 경우는 부도체로 간주됩니다.

물질 내에서 전류를 흐르게 하는 전자는 "자유전자"로 불리며, 가전자대의 양공은 마치 양전하 입자처럼 행동하여 실제로 대전된 입자로 간주됩니다.

반도체는 전자공학에서 중요한 역할을 하는데, 그 이유 중 하나는 불순물을 소량 첨가해도 반도체의 특성을 크게 변화시킬 수 있기 때문입니다. 이러한 과정을 도핑(doping)이라 하며, 첨가되는 불순물을 도펀트(dopant)라고 합니다. 도핑을 통해 반도체의 전도도는 10억 배 이상 증가할 수 있습니다. 이 때문에 집적 회로 제작 시, 불순물이 첨가된 다결정 실리콘이 금속을 대체하기도 합니다.

고유 반도체와 비고유 반도체

- 고유 반도체는 불순물이 거의 없는 순수한 반도체로, 열이나 빛에 의해 생성된 전자와 양공이 주요 운반자입니다. 고유 반도체에서는 전자와 양공이 같은 수로 존재하며, 전기 전도도는 온도에 따라 크게 변합니다. 낮은 온도에서는 절연체처럼 작동하지만, 온도가 높아지면 전도도가 증가합니다.

- 비고유 반도체는 운반자의 종류와 개수를 조절하기 위해 불순물을 첨가한 반도체로, 불순물의 종류에 따라 N형과 P형으로 나뉩니다.

N형 도핑

N형 도핑은 전자를 많이 생성하기 위해 불순물을 첨가하는 방법입니다. 예를 들어, 실리콘(Si) 결정구조에 원자가 전자 5개를 가진 원자(인(P), 비소(As) 등)를 첨가하면, 여분의 전자가 생겨 쉽게 전도띠로 올라갑니다. 이 전자는 양공을 만들지 않으므로, N형 반도체에서는 전자가 다수 운반자이고, 양공은 소수 운반자입니다. 이러한 원자를 donor 원자라고 합니다.

P형 도핑

P형 도핑은 양공을 많이 생성하기 위해 3가 원자(붕소(B), 알루미늄(Al) 등)를 첨가하는 방법입니다. 이 경우 전자가 부족한 결합이 생기며, 이에 따라 양공이 발생합니다. P형 반도체에서는 양공이 다수 운반자이고, 전자는 소수 운반자입니다. 이러한 도펀트를 acceptor 원자라고 합니다.

운반자 농도

도핑된 반도체에서는 다수 운반자의 농도가 고유 반도체의 운반자 농도보다 증가합니다. 그러나 다수 운반자 농도와 소수 운반자 농도를 곱한 값은 고유 운반자 농도의 제곱과 같습니다. 예를 들어, N형 반도체에서 전자 농도가 10¹⁶/cm³라면, 양공 농도는 10¹⁰/cm³가 됩니다. 이는 도핑 농도에 따라 소수 운반자 농도도 영향을 받음을 의미합니다.

반도체에 P형과 N형 도펀트를 인접하게 도핑하면 PN 접합이 형성됩니다. 이 구조는 전자공학에서 매우 중요한 역할을 하며, 다이오드와 같은 소자의 원리로 작동합니다.

PN 접합의 동작 원리

- 정방향 바이어스: P형 반도체에 +전압을, N형 반도체에 -전압을 걸어주면, P형 반도체의 다수 운반자인 양공이 접합면으로 밀려가고, N형 반도체의 다수 운반자인 전자도 접합면 쪽으로 끌려갑니다. 접합면에 운반자가 많아지면서 전류가 흐르게 됩니다. 이때, 전자와 양공이 만나 공유결합을 형성하며 전도에 기여합니다.

- 역방향 바이어스: 전압을 반대로 걸면, 양공과 전자는 접합면에서 멀어지게 되고, 접합면 주위에 운반자가 거의 없는 공핍영역이 형성됩니다. 이 상태에서는 전류가 거의 흐르지 않으며, 아주 소량의 전류만 흐르게 됩니다.

이러한 특성 덕분에 PN 접합은 전류가 한쪽 방향으로만 흐르게 하며, 이는 다이오드의 기본 원리입니다.

BJT (양극성 접합 트랜지스터)

PN 접합의 원리를 확장하면, 세 번째 반도체 영역을 추가하여 단자가 3개인 소자를 만들 수 있습니다. 이 소자가 BJT (Bipolar Junction Transistor)입니다. BJT는 P-N-P 또는 N-P-N 구조로 만들어지며, 각각의 구조에 따라 전류를 제어하는 방식이 다릅니다.

반도체를 대량 생산하면서도 예측 가능하고 신뢰할 수 있는 전기적 특성을 유지하는 것은 매우 까다로운 작업입니다. 그 이유는 반도체의 성질이 매우 작은 불순물에도 크게 영향을 받기 때문에, 높은 화학적 순도와 완벽한 결정 구조가 필수적이기 때문입니다.

반도체의 높은 화학적 순도를 달성하기 위해서는 존 정제(zone refining)라는 방법이 자주 사용됩니다. 이 방법에서는 고체 결정이 녹을 때 불순물이 녹은 부분에 모이는 성질을 이용해 고체 부분의 순도를 높입니다.

뿐만 아니라, 결정 구조의 완벽성도 중요한 요소입니다. 결정 구조에 결함(예: 전위(dislocation), 트윈(twin), 적층 결함(stacking fault))이 발생하면, 이러한 결함들이 반도체의 띠간격에 새로운 에너지 준위를 만들어내고, 결과적으로 전기적 특성에 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 결함은 불량 소자의 주요 원인이 됩니다.

결정의 크기가 커질수록 이러한 순도와 무결성을 달성하는 것이 더 어려워집니다. 오늘날 대량 생산에서 사용되는 결정은 지름이 4~12인치인 기둥 모양으로, 이를 얇게 절단해 웨이퍼를 만듭니다.


반도체 오류 진단 및 분석
반도체 오류 진단 및 분석은 스캔 기반 장치에서 발생하는 오작동이나 고장의 원인을 파악하기 위해 회로를 식별하는 예측 알고리즘입니다.

오류 진단 알고리즘은 오류 특성을 나타내는 데이터 로그를 입력으로 받아, 실패한 회로의 시뮬레이션 모델과 실제 장비의 시뮬레이션 모델을 비교하여 오류의 특성을 분석합니다. 이 알고리즘은 다양한 오류 유형을 분석 모델에 적용할 수 있으며, 대표적인 오류 유형은 다음과 같습니다:

- Stuck-at faults: 특정 노드가 항상 높거나 낮은 상태로 고정되는 오류
- Stuck-open faults: 노드가 연결이 끊긴 상태로 시뮬레이션되는 오류
- Bridging faults: 두 노드 간에 원하지 않는 연결이 발생하는 오류
- Transition-delay faults: 신호 전환이 느리게 일어나는 오류

오류 진단의 결과물은 오작동 가능성이 있는 연결망의 교점 목록으로 구성됩니다. 소프트웨어 오류 진단은 이러한 목록만 생성하지만, 특정 실패 지점을 정확히 파악하려면 물리적 오류 분석과 함께 사용해야 합니다.

일부 오류 분석 알고리즘은 기록된 고장 후보들의 고장 확률을 포함해, 어떤 연결망의 교점이 고장의 원인인지 추정할 수 있도록 돕습니다. 이러한 고장 확률은 분석자가 우선적으로 관찰해야 할 교점을 선택하는 기준을 제공합니다.