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반도체는 어떤 특별한 조건하에서만 전기가 통하는 물질로, 필요에 따라 전류를 조절하는데 사용된다. 반도체에 가해진 전압이나 열, 조사된 빛의 파장에 따라서 전기전도도 값이 변화된다. 반도체의 전기전도도 값은 절연체의 값보다는 크고, 도체의 값보다는 작다. 온도가 증가함에 따라 도체, 즉 금속의 전기전도도는 감소하는데 비해 반도체의 전기전도도는 증가하는 특성을 보인다.

반도체 물질의 특성은 더해 준 불순물이나 첨가에 따라 달라진다. 이러한 특성으로 인해 반도체는 현대 과학기술 문명의 중심이 되는 전기전자산업에서 가장 핵심적인 요소를 구성하고 있는데, 주로 실리콘(Si)이 반도체 물질로 사용되고 있다. 따라서, 전자산업을 실리콘산업(silicon industry)이라고도 하고, 실리콘산업 관련 회사가 모여있는 미국 캘리포니아 주의 산호세(San Jose) 지역을 실리콘밸리(Silicon Valley)라고도 부른다. 전자산업에서 반도체를 활용하는 대표적인 반도체소자로는 다이오드와 트랜지스터가 있다.

반도체에 대한 보다 근본적인 이해를 하기 위해서는 반도체 물질 내에서 움직이는 전자의 운동을 양자역학적으로 이해해야 한다. 결정 격자를 이루는 고체 물질은 격자의 주기성으로 인해 물질 내의 전자가 에너지띠를 형성하는데, 그림 1과 같이 원자가띠(valence band)와 전도띠(conduction band) 사이의 너무 크지 않은 적당한 크기의 띠틈을 가지고 있는 물질이 반도체가 된다.

그림 1. 물질은 원자가띠와 전도띠 사이의 띠틈의 크기에 따라 금속, 반도체, 절연체가 된다.

실리콘과 같은 단일 원소 반도체 물질이나 GaAs와 같은 화합물 반도체 물질은 기본적으로 작은 띠틈을 가지고 있다. 따라서, 열이나 전기장, 혹은 빛 등을 이용하여 원자가전자에 이 띠틈보다 큰 에너지를 가해 주면 이들 전자는 띠틈을 넘어 전도띠의 들뜬상태로 올라가게 된다. 이렇게 전자가 전도띠로 들뜨게 되면, 그림 2와 같이 전자가 빠진 원자가띠에 양공이 생기게 되어 전도띠의 전자와 원자가띠의 양공이 각각 (-)와 (+) 전하를 가지는 전하 운반자가 되어 전기전도에 기여하게 된다.

그림 2. 반도체에 형성된 전자-양공 쌍 (출처: ⇒)