[반도체] 반도체 이야기_반도체 기초1

 

◆ 반도체의 정의

 

고체 물질은 전류가 잘 흐르는 정도를 나타내는 전기전도도에 따라 도체, 반도체, 부도체 3가지로 나눌 수 있습니다.

은, 구리, 알루미늄, 백금 등 전류가 잘 흐르는 도체와 유리, 석영, 다이아몬드 등 전류가 잘 흐르지 않는 부도체의

중간 정도의 전기전도도를 가지는 물질을 반도체라고 합니다.

도체, 부도체와는 달리 반도체는 빛의 흡수량, 온도, 불순물의 농도 등에 의해 전기 전도도를 변화시킬 수 있다는

특성 때문에 전자기기의 핵심 부품으로 사용됩니다.

 

◆ 반도체의 종류

반도체는 도핑 유무에 따라 진성 반도체(Intrinsic Semiconductor)와 외인성 반도체(Extrinsic Semiconductor)로 나뉩니다.

진성 반도체는 불순물이나 결함이 없는 거의 완벽한 반도체를 의미하며 열적으로 생성된 전자-정공쌍만이 캐리어로

작용합니다.

 

◆ 진성 반도체

가장 대표적인 반도체 물질인 실리콘(Si)을 예로 들어보겠습니다.

 

실리콘(Si) 원자모델

 

실리콘은 원자 번호 14번으로 총 14개의 전자를 가지고 있습니다.

 

0K에서 Si의 결합구조 & 밴드갭

 

4개의 최외각 전자를 가지고 있는 실리콘은 공유결합을 통해 결정 구조를 이룹니다.

위의 그림과 같이 절대온도 0K(-273℃)에서는 전자의 열적생성이 없어 전자가 반도체 공유결합 내에 묶여있는 캐리어의

농도가 0인 상태가 됩니다.

* 열적생성 : 가전자대에 있던 전자가 열 에너지를 받아 전도대로 올라가 가전자대에는 정공이 생기는 것

 

 

300K에서 Si의 결합구조 & 밴드갭

 

여기서 온도가 0K보다 높아지면 열적생성에 의해 전도대의 자유전자와 가전자대의 정공쌍이 생성됩니다. 열 에너지를

제외한 에너지(빛이나 전기) 등의 개입이 없는 열 평형 상태에서의 자유전자 농도(n₀)와 정공 농도(p₀)는 동일합니다.

이 캐리어 농도를 진성 캐리어 농도(n_i)라 하며, n₀=p₀=n_i, n₀<p₀=n_i²의 관계를 갖습니다.

* 정공 : 공유결합 상태의 전자가 최외각껍질에서 이탈하면서 생긴 전자의 빈자리

* 가전자대(Valence band) : 전자가 원자를 탈출하지 못하고 원자의 최외각궤도 상에 있는 상태

* 전도대(Conduction band) : 자유전자가 원자에 얽매이지 않고 흐를 수 있는 상태, 최외각전자가 원자에서 탈출한 상태

 

 

◆ 외인성 반도체

진성 반도체는 열적생성으로 만들어진 전자-정공쌍만이 캐리어로 작용하기 때문에 캐리어의 수가 너무 적어

소자로 사용하기에 부적합합니다. 순수한 반도체에 불순물(도펀트, Dopant)을 주입(도핑, Doping)하면 캐리어의 농도가

높아져 전기 전도도를 높일 수 있습니다. 인(P), 비소(As) 같은 Ⅴ족 원소를 주입하여 전자의 농도를 높이거나 붕소(B) 같은

Ⅲ족 원소를 주입하여 정공의 농도를 높입니다. 도핑을 통해 캐리어의 농도가 진성 캐리어 농도보다 높은 반도체를

외인성 반도체라고 합니다. 불순물을 주입했어도 생성된 전자-정공쌍의 개수가 같아 모두 재결합을 이루는 경우도

진성 반도체입니다.

 

불순물 주입 후에도 전체적인 전하 중립성은 유지되어 n₀p₀=n_i²의 관계가 성립하기 때문에 한 캐리어의 농도가 증가하면

다른 하나는 감소할 수 밖에 없습니다. 여기서 농도가 더 높은 캐리어를 다수 캐리어(Majority carrier),

상대적으로 농도가 낮은 캐리어를 소수 캐리어(Minority carrier)라고 합니다. 

 

◆ n형 반도체

인(P)과 비소(As) 원자모델

 

n형 반도체란 전자가 정공보다 많은, 다수 캐리어가 전자인(n₀ >> p₀) 반도체를 말합니다.

전자의 농도를 높이기 위해 인(P), 비소(As) 같은 Ⅴ족 원소를 불순물로 주입합니다.  

 

n형 Si 반도체의 캐리어 이동

 

Ⅴ족 원소가 가지고 있는 5개의 최외각 전자 중 4개는 실리콘(Si)과 공유결합을 하고 있지만, 남은 1개의 전자는 핵과의

인력이 약하므로 약간의 에너지만 받아도 쉽게 자유전자가 될 수 있습니다. Ⅴ족 원소는 양이온이 되면서 전자 하나를

내어 놓는다 하여 도너(Donor)라고 부릅니다.

 

도핑된 반도체에서 불순물 원자로부터 전자나 정공을 생성시키는데 필요한 최소 에너지를 이온화 에너지라고 합니다.

이 에너지가 작을수록 불순물이 실리콘에 주입되었을 때 쉽게 이온으로 존재할 수 있습니다. 같은 말로 캐리어를 쉽게

내어놓는다고도 이해할 수 있습니다.

 

n형 반도체의 밴드 다이어그램

 

도너를 주입하면 전도대 바로 아래에 얕은 도너 에너지 준위(E_d)가 만들어집니다. 에너지를 받으면 E_d에 있던 전자가

전도대로 쉽게 올라가 자유전자가 되는 것입니다. 즉, n형 반도체의 이온화 에너지는 E_C-E_d가 됩니다.

 

◆ p형 반도체

붕소(B) 원자모델

 

p형 반도체는 정공이 전자보다 많은, 다수 캐리어가 정공인(n₀ << p₀) 반도체를 말합니다.

정공의 농도를 높이기 위해 붕소(B) 같은 Ⅲ족 원소를 불순물로 주입합니다.

 

p형 Si 반도체의 캐리어 이동

 

Ⅲ족 원소의 최외각 전자 3개는 실리콘(Si)과 공유결합을 하고, 부족한 1개의 전자 자리에 정공이 발생합니다.

절대온도 0K 이상에서는 오른쪽 그림과 같이 주위의 전자가 정공으로 쉽게 이동하게 됨에 따라, 전도가 가능해집니다.

음이온이 된 Ⅲ족 원소는 전자 하나를 받아 들이기 때문에 억셉터(Acceptor)라고 명명합니다.

 

p형 반도체의 밴드 다이어그램

 

억셉터 주입 시 가전자대 바로 위에 얕은 억셉터 에너지 준위(E_a)가 만들어집니다. 이온화 에너지인 E_a-E_V 만큼의

에너지를 받으면 가전자대의 전자가 쉽게 올라가 정공이 만들어집니다. 여기서 만들어진 정공이 전도에 참여하게 됩니다.

하지만 억셉터 에너지 준위로 올라온 전자는 전도에 참여할 수 없습니다.