반도체 단위는 nm, μm, eV 등 다양한 형태로 등장하며, 반도체 공부를 시작하는 사람들에게 가장 헷갈리는 부분 중 하나입니다.

이 글에서는 nm과 μm의 차이, eV의 의미를 포함해 반도체에서 자주 사용하는 단위를 쉽게 정리합니다.

반도체 공부를 처음 시작하면 자주 헷갈리는 것이 바로 ‘단위(unit)’입니다.

nm, μm, V, eV 같은 단위들이 계속 등장하지만, 단위들이 의미하는 바를 정확히 이해하지 못하면 이론을 아무리 공부해도 머릿속에 정리가 잘 되지 않아요.

그래서 이번 글에서는 반도체 공부를 할 때 꼭 알아야 하는 자주 등장하는 단위들을 쉽게 정리해 보겠습니다.

nm과 μm 차이 (반도체 길이 단위 정리)

Å(옹스트롱), nm(나노미터), μm(마이크로미터), cm(센티미터) 등은 모두 길이 단위지요.

반도체 기술의 역사는 반도체 소자를 작게 만드는 역사라 해도 결코 과언이 아니고, 그래서 길이(크기)를 나타내는 물리량들이 아주 자주 등장하지요. mm(밀리미터) 단위가 사용되는 경우도 있긴 하지만 흔치는 않고, 비교적 자주 사용하게 되는 길이 단위들을 정리하면 위와 같습니다.

공정 기술 노드, 트랜지스터의 크기, 매우 얇은 막의 두께, 원자들 간의 거리 등을 나타낼 때, μm, nm, Å 등의 단위들을 사용하지요. 이 단위들은 서로

1 μm = 10^-4 cm

1 nm = 10^-3 μm

1 Å = 0.1 nm = 10^-8 cm

의 관계를 가집니다. cm는 반도체에 있어 매우 큰 단위이긴 하지만 어떤 반도체의 원자의 부피당 개수나 도핑 농도를 따질 때, cm-³ (곧 개수/cm³)의 단위를 사용하므로 자주 등장하게 되지요.

반도체에서 전압(V)과 전류(A)의 의미

잘 아시는 것처럼 V(volt)는 전압의 단위, A(ampere)는 전류의 단위입니다. 대부분의 전자 소자나 회로, 시스템을 설계하거나 해석하는 데 있어, 전압이 입력을, 전류가 출력을 나타내게 돼요. 그래서 전압의 변화에 대한 전류의 변화 곡선을 살펴보는 일들이 많습니다.

여기서 한 가지 유념할 점은 우리에게 중요한 것은 전압값 자체가 아니라 전압차라는 점이예요. 흔히 몇 V의 전압을 준다는 표현을 하긴 하지만, 사실은 몇 V의 전압차를 주어서 전류가 흐르도록 하는 것이지요.

물줄기가 시원하게 떨어지는 폭포를 만들기 위해서는 해발 몇 m의 높이에 단차를 만들어주어야 하는지가 아니라, 몇 m의 “높이차”를 만들어주어야 하는지가 중요한 이치와 같다 할 수 있습니다.

eV란 무엇인가? (일렉트론 볼트 쉽게 이해하기)

반도체에서 매우 자주 등장하는 단위로 eV가 있어요. 일렉트론 볼트(electron volt)라고 읽지요. eV이라는 단위가 갖는 의미를 이해하기 위해서는 우선 전기장에 있는 전하를 움직이는 데 필요한 일의 양에 대해서 생각해봐야 합니다.

양의 전하는 전위가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동하는 힘을 받기 때문에 우리가 양의 전하를 전위가 높은 쪽으로 이동시키기 위해서는 그만큼 거슬러 움직일 수 있는 힘을 가해야 하고, 따라서 일을 해주어야 해요. +1 C의 양의 전하를 +1 V 만큼 거슬러 이동시키는 데 필요한 일의 양, 곧 에너지는 (+1 C) × (+1 V) = 1 C·V = 1 J로 정의하지요. W = QV라는 좀 더 일반적인 식에 대입해볼 수도 있어요.

그럼 이번에는 ‘전자 한 개’에 대해서 생각해 볼까요?

전자 한 개가 갖는 전하량은 -1.6×10^-19 C이예요. 전자는 전위가 낮은 곳에서 높은 것으로 이동하려고 하기 때문에 우리가 거꾸로 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동시키려 할 때에는 그만큼의 일을 해주어야 합니다. 전자 한 개를 -1 V만큼 낮은 곳으로 이동시키는 데 필요한 일의 양은 (-1.6×10^-19 C)×(- 1 V) = 1.6×10^-19 J이 되겠지요?

그런데 반도체에서는 전자 한 개에 대한 물리적 설명을 하는 경우들이 많아서, 그때마다 1.6×10^-19 J, 또는 이 값의 배수를 적는 일은 매우 번거롭고, 기재하면서 실수가 생길 가능성도 크지요. 그래서 1.6×10^-19 J의 값을 1 eV라는 물리량으로 한 번 더 정의를 합니다.

1 eV = 1.6×10^-19 J

eV는 에너지의 단위인 것이지요. eV이라는 단위를 접하는 경우는 많을텐데, 반도체의 에너지 밴드갭을 설명할 때 더욱 자주 접하게 됩니다.

단위를 이해해야 하는 이유

물리학이나 다른 과학들도 마찬가지이겠지만, 특히 반도체에서는 단위를 이해하지 못하고 정확한 사용을 하지 못하면 개념을 제대로 이해하기 어려운 일들이 많아요. 단위는 단순한 기호가 아니라, 현상을 설명하는 ‘언어’입니다. 우리가 어떤 물리량에 대해서 배울 때, 그 물리량을 뜻하는 정의와 단어가 있긴 하지만 그래도 이해하기 어려운 경우들이 있어요. 이럴 때, 그 물리량의 단위를 보면 어떤 의미를 갖는 물리량인지 금방 이해가 될 수 있습니다.

그리고 가끔은 양변의 물리량들이 서로 같은가, 각 변에 있는 물리량들의 단위들만 가지고 곱하기, 나누기를 하면서 양변의 단위가 맞는지도 확인해 보면 반도체를 공부하는 데 큰 도움이 될 거예요.

이 글 하나로 반도체에서 자주 사용하는 핵심 단위를 정리해두세요.