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 항목 | 도체(금속) | 반도체 | 절연체 |
|---|---|---|---|
| 밴드 구조 | 전도대가 전자로 부분적으로 채워져 있음(또는 가전자대와 전도대가 겹쳐 있음) | 가전자대는 가득 차 있고, 전도대와의 사이에 적당한 밴드갭이 있음 | 가전자대는 가득 차 있고, 전도대와의 사이에 큰 밴드갭이 있음 |
| 밴드갭 기준 | 없음 | 1 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 있음 | 큼(SiO2는 약 9 eV) |
| 상온 비저항 기준 | 매우 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 캐리어 | 자유 전자. 1 cm³당 10²²개 이상(구리는 약 8.5×10²²개) | 전도대의 전자와 가전자대의 정공 2종류. 불순물 첨가로 밀도를 크게 바꿀 수 있음 | 거의 없음 |
| 온도가 올라가면 | 저항이 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 첨가하면 | 전도율이 거의 변하지 않음(저항이 약간 증가함) | 아주 적은 양으로도 전도율이 몇 자릿수씩 바뀌며, n형과 p형을 구분해 만들 수 있음 | 절연성을 유지해야 하며, 불순물이나 결함은 누설 전류의 원인이 됨 |
| 빛을 비추면 | 거의 변하지 않음 | 밴드갭보다 큰 에너지의 빛으로 캐리어가 생성되어 전류가 증가함(광전도) | 가시광선에서는 거의 변하지 않음(SiO2는 가시광선을 투과함) |
| 대표 재료 | 구리, 알루미늄, 금, 텅스텐 | 실리콘, 게르마늄, GaAs, SiC, GaN | SiO2, 질화실리콘(Si3N4), 알루미나(Al2O3), 수지 |
| 반도체 소자에서의 역할 | 배선, 전극, 콘택트, 본딩 와이어 | 트랜지스터나 다이오드 등 전류를 제어하는 부분 | 게이트 절연막, 배선 사이의 층간 절연막, 소자 분리, 보호막 |
수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.