반도체(半導體, )는 전기 전도체와 절연체 사이의 도전율을 가진 물질이다. 반도체의 전도성은 결정 구조에 불순물을 추가하는 도핑을 통해 변경할 수 있다. 서로 다른 도핑 수준을 가진 두 영역이 동일한 결정 내에 존재할 때, 이들은 반도체 접합을 형성한다. 이러한 접합에서 전자, 이온, 양공을 포함하는 전하 운반자의 거동은 다이오드, 트랜지스터 및 대부분의 현대 일렉트로닉스의 기반이 된다. 반도체의 몇 가지 예로는 규소, 저마늄, 비소화 갈륨, 그리고 주기율표 상의 이른바 "준금속 계단" 근처의 원소들이 있다. 규소 다음으로 비소화 갈륨은 두 번째로 흔한 반도체이며 반도체 레이저, 태양 전지, 마이크로파 주파수 집적 회로 등에 사용된다. 규소는 대부분의 전자 회로를 제작하는 데 중요한 요소이다. 반도체 소자는 한 방향으로 전류를 더 쉽게 통과시키거나, 가변 저항을 보이거나, 빛이나 열에 민감하게 반응하는 등 다양한 유용한 특성을 나타낼 수 있다. 반도체 재료의 전기적 특성은 도핑과 전기장 또는 빛의 적용에 의해 변경될 수 있기 때문에, 반도체로 만들어진 소자는 증폭, 스위칭 및 에너지 변환에 사용될 수 있다. 반도체라는 용어는 고용량, 중전압에서 고전압 케이블의 절연체로 사용되는 재료를 설명하는 데도 사용되며, 이러한 재료는 종종 카본 블랙이 포함된 플라스틱 XLPE (가교 폴리에틸렌)이다. 규소의 전도성은 미량(108분의 1 정도)의 5가 원소(안티모니, 인, 비소) 또는 3가 원소(붕소, 갈륨, 인듐) 원자를 첨가함으로써 증가된다. 이 과정은 도핑으로 알려져 있으며, 결과로 생성된 반도체는 도핑된 또는 불순물 반도체로 알려져 있다. 도핑 외에도 반도체의 전도성은 온도를 높임으로써 향상될 수 있다. 이는 온도가 증가함에 따라 전도성이 감소하는 금속의 거동과는 상반된다. 반도체 특성에 대한 현대적 이해는 양자 물리학에 의존하여 결정 격자 내에서 전하 운반자의 움직임을 설명한다. 도핑은 결정 내 전하 운반자의 수를 크게 증가시킨다. 반도체가 15족 원소로 도핑될 때, 이들은 자유 전자를 생성하는 주개처럼 작용하며, 이를 "n형" 도핑이라고 한다. 반도체가 13족 원소로 도핑될 때, 이들은 자유 양공을 생성하는 받개처럼 작용하며, 이를 "p형" 도핑이라고 한다. 전자 장치에 사용되는 반도체 재료는 p형 및 n형 도펀트의 농도와 영역을 제어하기 위해 정밀한 조건 하에 도핑된다. 단일 반도체 소자 결정은 여러 p형 및 n형 영역을 가질 수 있으며, 이러한 영역들 사이의 PN 접합은 유용한 전자적 거동을 담당한다. 핫 포인트 프로브를 사용하여 반도체 샘플이 p형 또는 n형인지 신속하게 판단할 수 있다. 반도체 재료의 몇몇 특성은 19세기 중반과 20세기 첫 수십 년 동안 관찰되었다. 전자 분야에서 반도체의 첫 실질적인 응용은 초기 라디오 수신기에 사용된 원시적인 반도체 다이오드인 1904년의 고양이수염 검파기(cat's whisker detector) 개발이었다. 양자 물리학의 발전은 차례로 1947년 트랜지스터의 발명과 1958년 집적 회로의 발명으로 이어졌다. == 특성 == === 가변 도전율 === 자연 상태의 반도체는 전류가 전자의 흐름을 필요로 하고, 반도체는 원자가띠가 채워져 있어 새로운 전자의 전체 흐름을 방해하기 때문에 전도성이 좋지 않다. 도핑 또는 게이팅과 같이 반도체 재료가 전도성 재료처럼 작동하도록 하는 여러 개발된 기술이 있다. 이러한 수정에는 n형 및 p형이라는 두 가지 결과가 있다. 이는 각각 전자의 과잉 또는 부족을 나타낸다. 균형 잡힌 수의 전자는 재료 전체에 전류가 흐르도록 한다. === 동종접합 === 동종접합은 서로 다른 도핑된 반도체 재료가 결합될 때 발생한다. 예를 들어, p형 도핑된 저마늄과 n형 도핑된 저마늄으로 구성될 수 있다. 이는 서로 다른 도핑된 반도체 재료 사이에서 전자와 양공의 교환을 초래한다. n형 도핑된 저마늄은 전자가 과잉이고, p형 도핑된 저마늄은 양공이 과잉이다. n형에서 이동하는 전자와 p형에서 이동하는 양공이 접촉하는 재결합이라는 과정을 통해 평형에 도달할 때까지 전송이 일어난다. 이 과정의 결과는 이동 불가능한 이온의 좁은 띠이며, 이는 접합을 가로지르는 전기장을 유발한다. === 여기된 전자 === 반도체 물질에 전위차가 있으면 열역학적 평형을 벗어나 비평형 상태를 만든다. 이는 시스템에 전자와 양공을 도입하며, 이들은 쌍극자 확산이라는 과정을 통해 상호 작용한다. 반도체 물질에서 열역학적 평형이 교란될 때마다 양공과 전자의 수가 변한다. 이러한 교란은 온도차나 광자의 결과로 발생할 수 있으며, 광자는 시스템에 들어가 전자와 양공을 생성할 수 있다. 전자와 양공을 생성하거나 소멸시키는 과정은 각각 생성 및 재결합이라고 한다. === 빛 방출 === 특정 반도체에서는 여기된 전자가 열을 생성하는 대신 빛을 방출하여 이완할 수 있다. 반도체 조성 및 전류를 제어하면 방출되는 빛의 특성을 조작할 수 있다. 이러한 반도체는 발광 다이오드 및 형광 퀀텀닷의 구성에 사용된다. === 높은 열전도도 === 열전도도가 높은 반도체는 열 분산 및 전자 기기의 열 관리 개선에 사용될 수 있다. 이들은 전기차량, 고휘도 LED 및 전력 모듈 등 다양한 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. === 열 에너지 변환 === 반도체는 열전 발전기에 유용한 높은 열전력 계수와 열전 냉각기에 유용한 높은 열전 성능 지수를 가지고 있다. == 재료 == 많은 수의 원소와 화합물이 다음과 같은 반도체 특성을 가지고 있다. 특정 순수 원소는 14족 원소에 속한다. 이들 원소 중 상업적으로 가장 중요한 것은 규소와 저마늄이다. 규소와 저마늄은 최외각 껍질에 4개의 원자가 전자를 가지고 있어 동시에 전자들을 얻거나 잃을 수 있는 능력이 있어 효과적으로 사용된다. 이원 화합물, 특히 13족과 15족 원소 사이의 비소화 갈륨과 같은 화합물, 12족과 16족, 14족과 16족 원소 사이의 화합물, 그리고 서로 다른 14족 원소 사이의 화합물, 예: 탄화 규소. 특정 삼원 화합물, 산화물, 합금. 유기 화합물로 만들어진 유기 반도체. 반도체 금속 유기 골격