불순물을 일부러 넣는 기술, 반도체 도핑

반도체 도핑은 순수한 반도체 결정에 아주 적은 양의 다른 원소를 의도적으로 섞어 전기적 성질을 바꾸는 기술이다. 순수한 실리콘은 상온에서 전기를 잘 통하지 못하지만, 실리콘 원자 수백만 개에 하나꼴로 특정 원소를 넣으면 전기 전도도가 크게 달라진다. 어떤 원소를 넣느냐에 따라 전자가 남는 반도체와 전자가 모자라는 반도체를 만들 수 있고, 이 둘을 맞붙이면 다이오드와 트랜지스터 같은 전자 소자의 기본 구조가 생긴다.

순수한 실리콘은 왜 전기를 못 통하나

실리콘 원자는 가장 바깥 껍질에 전자 4개를 가지고 있다. 실리콘 결정 속에서 각 원자는 이웃한 원자 4개와 전자를 하나씩 나눠 가지며 단단한 공유 결합을 이룬다. 이렇게 모든 전자가 결합에 묶여 있으면 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 거의 없어서 전류가 잘 흐르지 않는다.

온도가 올라가면 일부 전자가 열에너지를 얻어 결합에서 풀려나 움직이기 시작한다. 그래서 반도체는 금속과 달리 온도가 높을수록 전기가 더 잘 통하는 성질이 있다. 하지만 상온에서 저절로 풀려나는 전자는 매우 적어서, 순수한 실리콘만으로는 쓸모 있는 전자 소자를 만들기 어렵다.

전자가 남는 n형, 빈자리가 생기는 p형

실리콘 결정에 바깥 전자가 5개인 인을 조금 넣으면, 인 원자는 이웃 실리콘과 결합하는 데 전자 4개를 쓰고 1개가 남는다. 이 남는 전자는 결합에 묶이지 않아 결정 속을 쉽게 돌아다닌다. 음전하를 띤 전자가 전류를 나르므로 이런 반도체를 n형 반도체라고 부른다.

반대로 바깥 전자가 3개인 붕소를 넣으면, 결합 하나에 전자가 모자라 빈자리가 생긴다. 이웃한 전자가 이 빈자리로 옮겨 가면 원래 자리에 새 빈자리가 생기고, 결과적으로 빈자리가 움직이는 것처럼 보인다. 이 빈자리를 양전하를 띤 입자처럼 다루어 정공이라 부르며, 정공이 전류를 나르는 반도체를 p형 반도체라고 한다.

구분	n형 반도체	p형 반도체
넣는 원소	인, 비소 (전자 5개)	붕소, 갈륨 (전자 3개)
남거나 모자란 것	전자가 하나 남음	전자가 하나 모자람
전류를 나르는 것	전자	정공

p와 n이 만나면 생기는 일

도핑의 진짜 힘은 p형과 n형을 맞붙였을 때 드러난다. 두 영역이 만나는 경계에서 n형의 남는 전자가 p형의 빈자리로 넘어가 서로 채워지면서, 경계 부근에 움직일 수 있는 전하가 거의 없는 얇은 층이 생긴다. 이 층에는 전자가 넘어오는 것을 막는 전기적인 벽이 만들어진다.

바깥에서 한쪽 방향으로 전압을 걸면 이 벽이 낮아져 전류가 잘 흐르고, 반대 방향으로 걸면 벽이 높아져 전류가 거의 흐르지 않는다. 전류를 한 방향으로만 흘려보내는 이 구조가 다이오드다. 교류를 직류로 바꾸는 전원 장치부터 빛을 내는 발광 다이오드, 빛을 전기로 바꾸는 태양전지까지 모두 이 p-n 접합을 바탕으로 한다.

트랜지스터, 전기로 여닫는 스위치

p형과 n형을 세 겹으로 쌓거나, n형 영역 두 곳 사이에 p형을 두고 그 위에 전극을 올리면 트랜지스터가 된다. 가운데 전극에 작은 전압을 걸면 두 영역 사이에 전류가 흐르는 길이 열리고, 전압을 끊으면 길이 닫힌다. 작은 신호로 큰 전류를 켜고 끌 수 있는 스위치가 만들어진 것이다.

이 스위치가 켜진 상태와 꺼진 상태를 1과 0으로 쓰면 디지털 계산이 가능해진다. 오늘날 스마트폰 속 프로세서 하나에는 이런 트랜지스터가 수십억 개 들어 있다. 이렇게 작은 소자를 만들려면 도핑할 원소의 양과 위치를 나노미터 단위로 정확하게 조절해야 한다. 이온 주입 장치로 원소를 가속해 웨이퍼의 원하는 곳에만 박아 넣는 방식이 널리 쓰인다.

순도와 불순물 사이의 역설

반도체 산업은 기묘한 역설 위에 서 있다. 먼저 실리콘을 99.9999999% 이상의 극도로 높은 순도로 정제한 뒤, 다시 원하는 불순물을 원하는 양만큼 정확하게 넣는다. 원치 않는 불순물이 조금만 섞여도 소자의 성질이 틀어지기 때문에, 출발점은 거의 완벽하게 순수해야 한다. 불순물은 피해야 할 대상이면서 동시에 반도체에 생명을 불어넣는 재료다. 이 미세한 조절 기술이 정보 시대 전체의 바탕을 이룬다.