도체·반도체·절연체의 차이: 밴드갭·비저항·온도 특성 비교

도체·반도체·절연체의 차이는 전기를 나를 수 있는 전자가 얼마나 있는지로 결정되며, 이는 밴드 구조로 설명할 수 있습니다. 금속은 전도대가 전자로 부분적으로 채워져 있어 원래부터 자유 전자가 많습니다. 절연체는 밴드갭이 커서 상온에서는 전자가 거의 전도대로 올라가지 못합니다. 반도체는 그 중간으로, 밴드갭이 1 eV 안팎으로 적당하기 때문에 온도나 빛, 불순물 첨가에 따라 전기가 흐르는 정도를 크게 바꿀 수 있습니다.

비교 항목도체(금속)반도체절연체
밴드 구조전도대가 전자로 부분적으로 채워져 있음(또는 가전자대와 전도대가 겹쳐 있음)가전자대는 가득 차 있고, 전도대와의 사이에 적당한 밴드갭이 있음가전자대는 가득 차 있고, 전도대와의 사이에 큰 밴드갭이 있음
밴드갭 기준없음1 eV 안팎인 것이 많음(Si는 약 1.12 eV, Ge는 약 0.66 eV, GaAs는 약 1.42 eV). SiC나 GaN처럼 3 eV를 넘는 와이드 밴드갭 반도체도 있음큼(SiO2는 약 9 eV)
상온 비저항 기준매우 낮음(구리는 약 1.7×10⁻⁶ Ω·cm)중간이며, 불순물 양에 따라 몇 자릿수씩 달라짐(순수한 실리콘은 10⁵ Ω·cm대)매우 높음(SiO2 등은 10¹⁴ Ω·cm 이상)
전기를 나르는 캐리어자유 전자. 1 cm³당 10²²개 이상(구리는 약 8.5×10²²개)전도대의 전자와 가전자대의 정공 2종류. 불순물 첨가로 밀도를 크게 바꿀 수 있음거의 없음
온도가 올라가면저항이 증가함(격자 진동에 의한 산란이 늘어나기 때문)순수한 반도체에서는 저항이 크게 감소함(열로 생성되는 캐리어가 급격히 늘어나기 때문)저항은 매우 높은 상태를 유지하지만, 고온에서는 약간 감소함
불순물을 첨가하면전도율이 거의 변하지 않음(저항이 약간 증가함)아주 적은 양으로도 전도율이 몇 자릿수씩 바뀌며, n형과 p형을 구분해 만들 수 있음절연성을 유지해야 하며, 불순물이나 결함은 누설 전류의 원인이 됨
빛을 비추면거의 변하지 않음밴드갭보다 큰 에너지의 빛으로 캐리어가 생성되어 전류가 증가함(광전도)가시광선에서는 거의 변하지 않음(SiO2는 가시광선을 투과함)
대표 재료구리, 알루미늄, 금, 텅스텐실리콘, 게르마늄, GaAs, SiC, GaNSiO2, 질화실리콘(Si3N4), 알루미나(Al2O3), 수지
반도체 소자에서의 역할배선, 전극, 콘택트, 본딩 와이어트랜지스터나 다이오드 등 전류를 제어하는 부분게이트 절연막, 배선 사이의 층간 절연막, 소자 분리, 보호막

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

도체(금속)
전기를 손실 없이 나르고 싶을 때. 칩 내부의 배선과 전극, 패키지의 와이어와 리드에 사용합니다.
반도체
전류를 켜고 끄거나, 증폭하거나, 빛과 전기를 변환하고 싶을 때. 트랜지스터, 다이오드, 이미지 센서, 태양전지 등의 본체가 됩니다.
절연체
전기가 통하면 안 되는 곳을 나누고 싶을 때. MOSFET의 게이트 절연막, 배선 사이를 메우는 층간 절연막, 이웃 트랜지스터와의 소자 분리에 사용합니다.

자주 묻는 질문

반도체는 왜 '절반의 도체'라고 불리나요?

비저항이 도체(금속)와 절연체의 중간이기 때문입니다. 다만 중요한 것은 값 자체보다, 불순물 첨가나 온도, 빛, 전계에 따라 전기가 흐르는 정도를 크게 바꿀 수 있다는 점이며, 이 성질이 트랜지스터와 다이오드 동작의 바탕이 됩니다.

금속과 반도체에서 온도에 따른 저항 변화가 반대인 이유는 무엇인가요?

금속은 자유 전자의 수가 거의 일정하므로, 온도가 올라가면 격자 진동에 의한 산란이 늘어나 저항이 증가합니다. 순수한 반도체에서는 온도가 올라가면 밴드갭을 넘어 여기되는 캐리어가 지수함수적으로 늘어나 산란 증가를 웃돌기 때문에 저항이 감소합니다.

밴드갭이 몇 eV 이상이면 절연체인가요?

명확한 경계는 없습니다. 상온에서 캐리어가 거의 없는, 밴드갭이 큰 재료를 절연체라고 부르는 경우가 많지만, 약 5.5 eV인 다이아몬드나 약 4.5~4.9 eV인 Ga2O3처럼 불순물을 첨가해 전기를 흘릴 수 있는 재료는 반도체(울트라 와이드 밴드갭 반도체)로 취급됩니다.

실리콘은 도체인가요, 절연체인가요?

반도체입니다. 순수한 실리콘의 비저항은 상온에서 10⁵ Ω·cm대로 높은 편이지만, 인이나 붕소를 아주 조금만 첨가해도 몇 자릿수씩 낮아집니다. 예를 들어 전자 밀도가 1×10¹⁶ cm⁻³인 n형 실리콘은 약 0.5 Ω·cm입니다.

이해도 확인

실온에서 실리콘(Si)의 밴드갭에 가장 가까운 값은 무엇입니까?

  1. A약 0.66 eV
  2. B약 1.12 eV
  3. C약 3.4 eV
정답과 해설 보기

정답: B. 약 1.12 eV

실리콘의 밴드갭은 실온에서 약 1.12 eV이며, 흡수할 수 있는 빛의 파장 상한은 약 1.1 µm(1240÷1.12)입니다. 약 0.66 eV는 게르마늄으로, 갭이 작은 만큼 고온에서 누설 전류가 늘어나기 쉽고, 약 3.4 eV는 GaN으로 고내압·고온 동작이나 청색 LED에 적합한 와이드 밴드갭 반도체입니다. 실리콘은 그 중간이며, 양질의 열산화막(SiO2)을 만들 수 있다는 점과 함께 LSI의 주역이 되었습니다.

다음 재료 중 밴드갭이 가장 큰 것은 무엇입니까?

  1. A실리콘(Si)
  2. B게르마늄(Ge)
  3. C이산화규소(SiO2)
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정답: C. 이산화규소(SiO2)

SiO2의 밴드갭은 약 9 eV로 매우 크며 우수한 절연체입니다. 실리콘(약 1.12 eV), 게르마늄(약 0.66 eV)과는 자릿수가 다릅니다. 갭이 클 뿐 아니라 실리콘 쪽과의 전도대 오프셋(약 3.1 eV)도 크기 때문에, 전자가 게이트 절연막을 넘기 어렵습니다. High-k 재료(HfO2는 약 5.8 eV)는 유전율이 높은 대신 갭이 작아, 누설 전류와의 균형으로 선택됩니다.

진성 반도체의 저항률의 온도 의존성으로 올바른 것은 무엇입니까?

  1. A온도가 올라가면 저항률이 내려간다
  2. B온도가 올라가면 저항률이 올라간다
  3. C온도와 관계없이 저항률은 일정하다
정답과 해설 보기

정답: A. 온도가 올라가면 저항률이 내려간다

진성 반도체에서는 온도가 올라가면 밴드갭을 넘어 여기되는 캐리어가 지수 함수적으로 늘어나므로 저항률이 내려갑니다(음의 온도 계수). 금속은 캐리어 수가 거의 일정하고 격자 진동에 의한 산란이 늘어나므로 저항률이 올라갑니다. 이 성질을 이용한 것이 서미스터(NTC)입니다. 다만 불순물을 첨가한 실리콘에서는 상온 부근에서 캐리어 수가 거의 일정하므로, 이동도 저하로 저항이 오히려 올라가는 범위도 있습니다.

  1. 진성 반도체의 온도를 올렸을 때 진성 캐리어 밀도는 어떻게 됩니까?
  2. 실리콘 원자 1개가 가진 가전자(최외각 전자)의 수는 몇 개입니까?
  3. 실온에서 게르마늄(Ge)의 밴드갭에 가장 가까운 값은 무엇입니까?

반도체 물리 문제 풀기

주요 용어 설명

밴드갭(Bandgap)
가전자대 상단과 전도대 하단 사이의 에너지 차이. 실리콘은 상온에서 약 1.12 eV이다. 클수록 고온·고전압에 강하다.
진성 캐리어 밀도
불순물이 없는 반도체에서 열로 생기는 전자와 정공의 밀도(ni로 표기). 실리콘에서는 실온에서 약 1×10¹⁰ cm⁻³이며 온도가 오르면 급격히 증가한다. 열평형에서는 n × p = ni²가 성립한다.
이동도
전계를 가했을 때 캐리어가 움직이기 쉬운 정도. 실리콘에서는 전자의 이동도가 정공보다 크다.
페르미 준위
전자가 그 준위를 차지할 확률이 정확히 1/2이 되는 에너지. n형에서는 전도대 쪽, p형에서는 가전자대 쪽으로 치우친다.

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