반도체란?

1. 반도체

  반도체란 무엇일까요? 영어로 하면 Semiconductor입니다.  semi + conductor의 합성어입니다. conductor란 우리말로 도체라는 뜻입니다. 도체란 원자의 최외곽 전자가 약한 힘으로써 고정되어 다른 원자로 쉽게 이동할 수 있는 물체를 말합니다. 따라서 도체에는 전기가 잘 통합니다. 반대로 부도체는 전기가 통하지 않는 물질이죠. Semiconductor란 반도체란 뜻으로 상온에서 전기 전도율이 도체와 부도체의 중간 정도가 되는 물질입니다. 한마디로 상황에 따라서 도체도 될 수 있고, 부도체도 될 수 있는 성질을 가진 것이 반도체입니다.

1-1. 반도체 띠구조

   반도체를 띠구조에서 살펴보면 절대 영도에서 가장 위의 원자가띠가 완전히 차 있는 고체입니다. 전자의 페르미 에너지가 금지된 띠틈에 있는 것을 말합니다. 절대 영도에서 전자 상태가 어느 수준까지 차 있게 되는데 이를 페르미 에너지라고 합니다. 

 

도체와 반도체의 다른 점은 반도체에서 전류가 흐를 때는 전자와 양공 모두 이동한다는 것입니다. 금속의 경우 페르미 준위가 전도띠 안에 있기 때문에 전도 띠는 일부만 전자로 채워집니다. 전자가 다른 비어있는 상태로 이동하기 위해서는 필요한 에너지가 적고 그래서 전류가 잘 흐르는 것입니다. 

 

  반도체에서 전류를 예측 계산하기 위해서는 캐리어 농도를 알아야 합니다. 캐리어의 농도는 conduction band에 존재하는 전자의 농도와 관련이 있으므로 주어진 조건에서 컨덕션 밴드에 전자가 얼마나 있는지를 계산해야 합니다. 

 

1-2. 반도체 도핑

   반도체가 많이 활용되는 중요한 이유는 불순물을 조금만 첨가해서 반도체 특성을 크게 변화시킬 수 있기 때문입니다. 이러한 과정을 doping이라고 하며 불순물을 dopant라고 합니다. 반도체에 불순물을 많이 첨가하면 반도체 전도도가 10억 배 이상 증가하기 때문에 직접 회로를 만들 때 불순물이 많이 참가된 다결정 실리콘을 금속 대신에 사용하기도 합니다.

 

  1-2-1. N형 도핑

      N형 도핑의 목적은 물질에 운반자 역할을 하는 전자를 많이 만들기 위함입니다. Si원자는 원자가 전자 4개를 가집니다. 각 원자는 주변의 Si 원자 4개와 공유 결합을 하고 있습니다. 만약에 원자 결정 구조에 원자가 전자가 5개인 원자 (주기율표의 15족에 있는 원자 중 인, 비소, 안티모니, 비스무트)가 들어간다면 추가된 원자는 공유결합 4개를 갖고 결합하지 않은 전자를 하나 더 가집니다. 여분의 전자는 원자에 약하게 구속되어 있어서 쉽게 전도띠로 올라갈 수 있습니다. 상온에서 이런 전자는 전부 전도띠로 올라가게 됩니다. 이런 경우 전자는 majority carrier이고 양공은 minor carrier가 됩니다. 전자 5개를 가진 원자는 여분의 전자를 내놓기 때문에 이러한 원자를 donor원자라고 합니다.