반도체가 작동하기 위해 넘어야 하는 '에너지 갭'

고등학교 혹은 대학 1학년 물리학 수업에서 "전자(電子. Electron)는 입자성과 파동성을 가진다"라고 배운다. 전자란 질량이 아주 작은 입자로 모든 물질의 구성요소다.

즉 전자의 물리적 현상을 입자의 물리적 충돌로 설명하기도 하고, 또는 전자파와 같이 파장을 가진 파동의 전파, 반사, 회절 현상으로 설명하기도 한다. 

그런데 반도체 물리학에서는 반도체 내에 전자가 이동할 때 나타나는 현상을 전자의 파동으로 설명한다. 즉 반도체 내의 전자는 파장을 갖고, 그 파장에 반비례하는 에너지를 가진다. 이렇게 반도체 속의 전자는 반도체 결정의 격자 속에서 파도 타듯이 전파하면서 이동한다. 이 때 주기적으로 나타나는 결정 격자의 실리콘 원자와의 상호작용을 주기적으로 받게 된다. 그 결과 전자가 반도체에서 가질 수 있는 에너지 대역이 존재한다.

그 중에 한 대역을 '가전자대(Valence band)'라고 하고 높은 에너지 대역을 '전도대(Conduction band)'라고 한다. 전자가 전도대 영역에서 에너지를 갖게 되면 전자가 반도체 내에서 자유롭게 이동하면서 전류를 흐르게 하는 매개체가 된다. 그래서 반도체가 전류를 흐르게 하려면 전자가 '전도대' 대역의 높은 에너지를 가져야 한다. 

이 '전도대'와 '가전자대' 사이에 전자의 에너지 밴드 갭(Energy Gap, Eg)이 존재하게 된다. 전자가 전류를 흐르게 하려면 이 에너지 밴드 갭을 뛰어 넘어야 한다. 

반도체 내의 전자의 에너지 밴드갭 Eg, 출처: 삼성반도체 이야기.

'에너지 갭'을 뛰어넘는 3가지 방법

실리콘 반도체 내에서 전자가 '가전자대'에서 '전도대'로 뛰어 넘어야 비로소 전류를 흐르는데 기여할 수 있다. 

반도체 내에서 전자가 에너지 갭을 뛰어 넘는 한가지 방법은 Eg에 해당하는 에너지를 열 에너지로부터 받는 것이다. 다르게 말해서 반도체가 열을 많이 받아 많은 수의 전자가 에너지 밴드 갭을 넘어 '전도대'로 넘어 가게 되면 전류를 많이 흘릴 수 있다.

또 다른 방법으로는 엑스레이 (X-ray) 와 같은 높은 에너지의 입자를 실리콘 반도체에 가하게 되면 전자가 이 엑스레이의 에너지를 받아 에너지 밴드 갭을 넘을 수 있고, 그 결과 전자 전류를 발생시킬 수 있다. 이런 원리를 사용하면 엑스레이 센서를 만들 수 있다.

다음 반도체 계층 사다리를 뛰어 넘는 방법으로는 반도체가 빛을 받아서 '가전자대'의 전자가 '전도대'로 에너지 밴드 갭을 뛰어 넘어 전류를 흘리는 전자를 발생시킨다. 이러한 현상을 광전자 현상이라고 한다.

CMOS 이미지 센서 사진, 출처: 구글 이미지.

4차 산업혁명 시대, '계층 사다리' 만들어야 

반도체와 마찬가지로 우리 사회에도 갖가지 다양한 계층 격차가 존재한다. 재산, 학력, 성별, 거주지뿐만 아니라 아파트 평수, 영어 점수, 학점, 졸업 학교, 전문직 자격증 등이 이러한 계층 격차를 만든다. 이러한 계층 격차는 개인의 직업, 경제적 수입, 결혼 가능 여부뿐만 아니라 삶의 질에도 크게 영향을 미친다.

이처럼 완고한 사회적 계층 격차가 존재하고, 그것이 커지고, 고착화 된다면 우리 사회 발전의 동적 에너지가 감소하고 경제 발전도 정체되고, 더 나아가 사회가 불안해 진다. 그 결과 개인과 사회도 불행해 진다. 뿐만 아니라 결혼율의 감소, 출산율의 감소로 이어진다.

사회의 건강한 발전을 위해서는 여러 개의 계층 사다리가 존재해야 한다. 더욱 암울한 현상은 현재 이러한 계층 이동의 방법으로 많은 젊은이들이 노량진 학원가에서 공무원 시험과 고시 시험에 몰려 있다는 사실이다. 대학 입시에서도 전국 의대에 최우수 이공계 학생이 몰리고 있다. 전국 법학대학원에도 우수 학생들이 자격 시험에 매달리고 있다.

4차 산업혁명 시대에 인공지능, 블록체인, 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터 분야가 새로운 계층 이동의 사다리의 에너지 공급원 역할을 할 수 있으면 좋겠다. 이 분야에서 새로운 수많은 벤처 기업으로 성공하는 젊은 기업가가 탄생할 수 있다. 4차 산업혁명이 젊은이들에게 새로운 기회의 장을 마련해야 한다. 비트코인과 ICO (Initial Coin Offering) 가 꿈과 실력을 가지 젊은이들에게 자본을 모을 수 있는 기회가 될 수 있다. 4차 산업혁명이 성공하기 위해서는 우리 사회의 젊은이들에게 계층 이동 사다리를 제공해야 한다. 그래야 더욱 가치가 있다. 

교육을 통한 계층 사다리, 출처: 스터디뉴스(StudyNews).

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]

김정호 교수.