1. 반도체

1. 반도체

전도율에 따라 물질을 도체(conductor), 부도체(insulator), 반도체(semiconductor)로 구분한다. 반도체는 부도체와 도체 사이의 전도율을 갖는 물질이다.

가장 많이 반도체로 사용되는 물질은 \(\text{Ge}\)(게르마늄), \(\text{Si}\)(실리콘), \(\text{GaAs}\)(비화갈륨)이다. 1939년에 다이오드가, 1947년에 트랜지스터가 발명되었는데 이때 게르마늄을 사용했다. 게르마늄은 순도가 높아서 순수한 반도체를 만들기가 쉬웠으나 온도에 민감하다는 문제점을 갖고 있었다. 그래서 1954년부터 실리콘을 사용하기 시작했다. 실리콘은 모래로 만들기 때문에 재료가 풍부했고 게르마늄과 달리 온도에 민감하지 않았으며 고순도 제조에 어려움이 있었으나 서서히 극복해갔다. 시간이 흐를수록 전자 분야는 더 빠른 처리속도를 필요로 했고 1970년에 비화갈륨을 사용하기 시작했다. 비화갈륨은 처리속도가 실리콘의 5배이나 고순도 제조에 어려움이 있다. 더 빠른 속도에 대한 수요의 증가로 비화갈륨 연구자금을 많이 모을 수 있어서 그 결과로 고속 초고밀도 집적회로(VLSI)에 비화갈륨 반도체를 사용한다.

다음의 그림은 보어(Bohr)의 원자모델이다.

원자(Atom)는 전자(electron)과 원자핵(nucleus)로 구성되어있고 원자핵은 양자(proton)와 중성자(neutron)로 구성되어 있다. 최외각(outermost shell)에 존재하는 전자를 원자가전자(valence electron)라고 한다. 위의 그림에서 \(_{14}\text{Si}\)와 \(_{32}\text{Ge}\)는 4가, \(_{31}\text{Ga}\)는 3가, \(_{33}\text{As}\)는 5가이다. 

위 그림에서 왼쪽은 실리콘 원자의 공유결합(covalent bonding), 오른쪽은 비화갈륨 결정 구조의 공유결합을 나타낸 것이다.

자유전자(free electron)는 빛 또는 열에너지에 의해 공유결합 상태를 벗어난 전자이고 진성(intrinsic)은 어떤 반도체 물질의 불순물이 가장 적은 것을 뜻하며 진성반도체(intrinsic semiconductor)는 현재의 기술로 불순물의 농도를 최대한 줄인 물질이다. 순수한 물질에서 자연적으로 발생한 자유전자를 진성캐리어(intrinsic carrier)라고 하며 진성캐리어의 수는 \(\text{GaAs}<\text{Si}<\text{Ge}\)순이다. 이동도(mobility)는 재료 내부에서 자유캐리어(금속은 전자, 반도체는 정공(전자가 비어있는 상태))가 이동할 수 있는 능력으로 캐리어의 속도를 결정한다. 이동도는 \(\text{Si}<\text{Ge}<\text{GaAs}\)순으로 높다. 

소량의 불순물을 첨가(doping)하면 낮은 전도도에서 높은 전도도로 변한다. 이는 재료의 순도가 중요함을 뜻한다. 여기서 도핑(doping)은 반도체 재료에 불순물(impurity)을 첨가해서 전기적 성질을 변화시키는 것을 뜻한다. 도체는 양의 온도계수(positive temperature coefficient)를 갖는데 온도가 높아질수록 캐리어 수가 증가하지 않는 대신 기존 전자들이 충돌해서 전자의 흐름을 방해해 저항이 증가하게 된다. 반대로 반도체는 음의 온도계수(negative temperature coefficient)를 갖는데 온도가 높아질수록 자유전자의 수가 증가하게 되어 저항이 감소하게 된다.

원자핵으로부터 멀리 떨어져 있는 전자가 더 높은 에너지 상태를 갖는다. 독립된 원자들이 가까워지면 결정격자구조(crystal lattice structure)를 형성하며 에너지 대역들의 폭이 넓어진다. 에너지간격(energy gap, \(E_{g}\)로 표시)은 가전자대역(valence band)과 전도대역(conduction band)사이의 간격이다. 즉, 금지대역(forbidden band)의 폭이고 단위는 \(\text{eV}\)(전자 1개가 \(1\text{V}\)전위차에서 받는 에너지\((W=qV)\))이다.

반도체의 에너지 간격은 \(\text{Ge}<\text{Si}<\text{GaAs}\)순이다. 게르마늄의 에너지 간격이 가장 좁은데 빛에 민감하게 동작하는 photodetector 또는 열에 민감한 화재경보장치에는 게르마늄이 유리하나 온도(빛, 열)에 따라 안정해야 하는 트랜지스터에는 게르마늄이 불리하다.  

순수한 반도체를 진성(내인성)반도체(intrinsic semiconductor)라고 한다. 진성반도체는 전도율이 낮다. 반대로 도핑(doping)된 반도체(n형, p형)를 외인성반도체(extrinsic semiconductor)라고 한다.

왼쪽 그림은 5가(\(\text{Sb},\,\text{As},\,\text{P}\)) 불순물이 첨가된 n형 반도체이다. 여기서의 5가 불순물을 공여체(donor)라고 한다. 첨가된 불순물 중에서 공유결합을 하지 못한 전자들이 전도대역 부근에 donor에너지 레벨을 형성해서 energy gap을 감소시킨다.

   

전자들에 의해서 전류가 흐르고 다수 캐리어는 전자, 소수 캐리어는 정공이다.

왼쪽 그림은 3가(\(\text{B},\,\text{Ga},\,\text{In}\)) 불순물이 첨가된 p형 반도체이다. 여기서의 3가 불순물을 수용체(acceptor)라고 한다. 첨가된 불순물이 공유결합할 수 없는 빈 공간을 정공(hole)이라 하며 가전자대역 부근에 acceptor에너지 레벨을 형성하여 energy gap을 감소시킨다. 정공에 의해서 전류가 흐르며 다수캐리어는 정공, 소수캐리어는 전자이다.

위의 그림은 전자와 정공의 흐름을 나타낸 것이다. 정공의 흐름은 전류의 방향과 같고 전자의 흐름은 정공의 흐름과 반대로 흐른다.

공여(donor)원자에서 다섯번째 전자가 원자를 떠나면 donor원자는 양이온이 되고 수용(acceptor)원자가 전자를 받아들이면 acceptor는 음이온이 된다.

참고자료:

Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson