반도체 특강 [1] 전자의 발견

 

원자의 구조

 

  원자는 (+) 전하를 갖는 원자핵과 (-) 전하를 갖는 전자로 구성되어있다. 원자 내에서 원자핵보다 매우 작은 질량으로 원자 핵과 같은 전하량을 몸에 지닌 채 타원 운동을 하는 전자 모형은 오늘날 형성된 것으로, 300년 전까지만 해도 물질은 더 이상 쪼개질 수 없는 분자가 물질의 최소단위로 알려져 있었다.

 

 

톰슨이 실험한 크룩스 진공 튜브

 

1897년 톰슨은 학회에 미립자를 발견했다고 학회에 발표하였다. 그는 그 당시 유행했던 실험인 음극선이 무엇인지 알아내는 실험을 하던 중 수소 원자보다 작은 단위의 미립자에 대한 전하량 대비 질량비를 밝혀냈다. 톰슨은 미립자에 대한 전하량이나 질량 값이 각각 얼마인지에 대해 직접 알아내지는 못하였지만, 전하량 대비 질량비를 알아냈다. 이를 통해 미립자의 전하량을 알아내면 미립자의 질량을 계산해 낼 수 있었고, 후에 노벨상을 수상하였다.

 

 톰슨이 발견한 소립자는 톰슨이 발표하기 23년 전 1874년에 이미 아일랜드 물리학자인 스토니에 의해 확인되었다. 그가 전기 분해를 연구하는 과정에서 전기를 발생시키는 물질을 발견하고, 이를 'Electron'이라고 이름 붙였다.

 그리스어로 electron은 소나무의 송진이 오랜시간 응고되어 형성된 '호박'을 의미한다. 호박끼리 문지르면 정전기가 발생되는 현상에서 착안한 것이다. 그러나, 스토니는 electron이 원자 내에서 어떤 구성 요소를 갖는지를 추정하거나 가설을 설정해내지는 못하였다. 그저 전기 현상을 발생시키는 것이 전자라는 것만을 증명해냈다.

 

 

1752년 미국의 벤자민 플랭클린에 의해서도 두려움의 대상이었던 번개의 속성이 전기라는 것이 밝혀졌고, 이후 번개 현상을 재현해내기 위한 여러가지 실험이 진행되었다. 초창기에는 대기압에서 음극판과 양극봉 사이에 높은 전압을 걸면 번개와 유사한 방전현상이 나타나는 것을 도출하였다. 이후 지속적인 연구를 바탕으로 양극봉을 음극판에서 멀리하거나 양극봉의 방향을 음극판에서 다른 쪽으로 틀면 방전현상이 없어지고, 서로 가까이 하면 방전 현상이 더욱 커지는 것으로 번개가 벼락을 칠 때의 현상을 재현하는 데 성공했다.

 

방전  (electrostatic discharge)
: 진공이나 절연성 좋은 물질이 매우 강한 전기장으로 인해 절연성을 잃고 전류가 흐르는 것.

 

 더 나아가 이러한 현상을 대기압이 아닌 진공관에서 실시하면, 진공의 압력이 낮아짐에 따라 음극선에서 출발한 선광이 양극 쪽으로 들어가면서 더욱 뚜렷한 방전 현상을 일으킨다는 사실을 얻을 수 있었다. 300년전 독일의 골트슈타인은 이를 '음극선'이라고 명명하였다. 이후 많은 실험들을 통해 음극선이 전자 알갱이의 집합체들이 이동하는 현상으로 밝혀졌다.

 

금속 내에서 전자로 인한 에너지의 이동

 

 음극선의 실체를 증명 후, 전기 분해 과정을 통해 전기도 전자들의 이동임을 확인되었다. 이후 전기선 내에서 전자 에너지의 이동은 옆 원자와의 연쇄반응으로 빛의 속도로 진행되는 것이 밝혀졌다.

 다만, 금속 내에서 실질적인 전자들의 평균이동은 빛의 속도보다 훨씬 느리지만, 에너지 이동방식이 거의 빛의 속도로 이뤄지는 것을 알게되었다. 호수에서 물결 파동이 전달되는 것과 유사한 방식으로 금속 내에서도 자유전자들이 옆 원자들의 최외각 전자들의 충돌과 2차 전자방출이 연속되는 방식으로 에너지가 이동된다. 그에 따라 전류도 전자들의 흐름으로 정의하였다.

 

 전자는 입자성과 파동성을 모두 가지고 있다. 이중, 전자의 입자성은 음극성의 성질을 연구하다가 확인되었다. 

 

 전자가 음극에서 출발한 후, 양극에서 헤엄쳐가는 항로 중간에 금속판을 놓으면 어떻게 될까?

 

 전자들이 금속판에 부딪쳐서 금속판을 통과하지 못하고 양극봉(+)이 있는 뒷부분에서는 금속과 동일한 형태의 그림자가 생기는 것을 발견하였다. 이를 통해 전자가 직진하는 성질을 갖는다는 것을 알아내었다.

 

 

 또한 중간에 금속판 대신 얇은 금속으로 된 팔랑개비를 놓고 음극선을 가동시키면 금속으로 된 팔랑개비가 회전을 하게 된다. 이때 팔랑개비가 회전하기 위해서는 전자가 질량을 가진 입자의 성질을 가지고 있기 때문이다. 

 

 

 

전자가 음전하라는 증거는 무엇일까

 

 

 음극선이 항해를 하는 항로 중간에 +/- 전기장과 자기장을 형성시키면 음극선이 양극(+) 방향으로 휜다. 이것으로 음극선을 이루는 성분인 전자의 극성이 (-) 극성을 가지고 있다고 판명되었다. 즉, 전하가 (-) 성질을 가진 입자라는 것이 입증되었다. 또한, 이때 전자가 자기장 속에서 굽어지면서 다른 원자들과 충돌하는 것을 확인하였다. 이를 통해 공식 몇개를 처리하면 전하량과 질량의 비인 '비전하'를 측정할 수 있게 되었다.

 

 

원자내의 소립자인 '전자'

 

 

 음극선이 소립자로 구성되었다고 발표하면서, 톰슨은 한발짝 더 나아가 '미립자'가 원자를 구성하는 작은 입자라는 가설을 제시하였다. 또한, 미립자의 비전하가 수소 분자 비전하 대비 약 1/1000~1/1500 정도로 작다는 것을 밝혀냈다. 비전하가 작다는 것은 전하량은 같으므로 결국 질량이 작다는 것이다.

 

 또한 톰슨은 원자 내의 미립자가 빵 속에 건포도가 박혀있는 상태로 같은 형태로 존재한다는 주장도 펼쳐졌다. 이후 톰슨의 제자인 러더퍼드에 의해 소립자가 원자 내에 존재하는 것은 맞지만 존재하고 있는 형태는 규칙성을 가지고 타원운동을 하는 태양계의 행성과 유사한 운동 형태라고 주장되었다.

 

 톰슨의 중요한 역할은 원자의 구조에 대하여 접근하였다는 것이다. 원자가 양의 입자와 음의 입자로 구성되었다는 생각이 그 시대에는 매우 핵심적인 요소가 되었다. 하지만, 톰슨은 그가 언급한 미립자를 electron이라고 불리는 것을 원하지 않았습니다. 

 

반도체 내에서의 전자의 역할

 

 전자의 입장에서 보면, 반도체는 '전기를 흐르게 하는 층'과 '전기를 흐르지 않게 하는 층'이 목적에 따라 좌우상하로 미로처럼 얽혀있다. 반도체 내에서 전자들은 전기를 흐르게 하는 길을 따라 이동하되, 중간중간에 여닫는 문이 있어서 이동하다가 멈추는 것을 반복한다.

 

 불순물 반도체인 'P형 반도체'와 'N형 반도체'가 적절히 절연되고, 채널로 이어지면서 마련된 통로로 전자가 빠르고 느리게 이동합니다. 혹은 저장공간에 짧거나 장기간 머물기도 합니다. 이를 위해 저항이 매우 낮은 물질 속을 전자가 통과하기도 하고, 적절한 저항 값을 가지는 물질을 해쳐나가기도 합니다.

 

 고도화되는 반도체의 크기는 지속적으로 작아지고 있는데, 그럼에도 동일 기능을 유지하기 위해서는 전자가 느끼는 스트레스 강도는 점점 높아져야 한다. 또한, 반도체를 동작시키는 전압은 점점 낮게 속도는 빨라져야한다. 이러한 조건 속에서 전류를 형성하기 위한 최소한의 전자 알갱이 개체수는 일정하게 유지시켜야 ON/OFF 기능을 수행할 수 있다.

 

https://news.skhynix.co.kr/post/another-from-static

정전기에서 또 다른 세계를 발견하다! 전자의 세계 속으로