1. 반도체 (Semiconductor)
ㅇ 금속에서, 자유전자의 손쉬운 이동으로, 열전달,전기전도도가 좋은 것과는 달리,
ㅇ 반도체는,
- 원자와 그에 속박된 전자와의 상호작용에 의해 형성되는 에너지밴드 갭에 의해,
- 절연체나 전도체의 중간적 성질을 갖는 물질 ☞ 도체 부도체 반도체 비교 참조
ㅇ 반도체의 구조는,
- 각 원자가 4개의 원자에 의해 둘러싸여있고,
- 주위의 원자들이 4개의 최외각 전자를 공유하며,
- 이들 원자들이 주기적으로 배열된 결정구조를 갖음 ☞ 다이아몬드 결정구조 참조
2. 반도체의 특징
ㅇ 최외각전자에 의한 공유결합
- 최외각 전자가 4개이며,
- 4개의 공유결합을 통해 결정을 이룸
ㅇ 온도,조명(빛),자계,불순물 농도에 대한 민감성
- 이러한 민감성이 특정 응용별로 좋은 장점을 갖음
ㅇ 전기전도성의 인위적 정밀 조절 가능
- 반도체 재료 선택, 제조 공정, 모양/형태, 외부 바이어스 등에 의해 조절 가능
. 전기적 특성이, 주로, 불순물 캐리어농도에 의존함
.. 즉, 주입 불순물의 종류 및 량에 의해, (전기전도) 전류 제어가 가능
* 한편, 반도체,금속 간의 전기전도도 비교
. 비록 반도체 내 전하 이동도가 금속 보다 크지만,
. 반도체의 캐리어 농도가 훨씬 작아, 금속에서의 전기전도도가 더 크게 됨
.. 반도체 전기전도율은, 대략 10-8 ~ 104 [S/㎝]
.. 금속 전기전도율은, 대략 104 ~ 이상 [S/㎝]
ㅇ 에너지 밴드 갭
- 전도대 및 가전자대 사이에 금지된 에너지 밴드 갭이 있게됨
* 에너지 밴드 갭은, 반도체의 핵심 특징임
ㅇ 결정구조
- 다이아몬드 결정구조
ㅇ 반도체 결함
- 불순물 원자 (의도적 주입,제조상 불가피한 혼입) 및 결정결함
3. 반도체의 분류
ㅇ 불순물 포함 여부에 따라
- 진성 반도체 (intrinsic, 진성)
. 불순물 원자나 결정 결함을 포함하지 않는 순수한 반도체
- 불순물 반도체 (extrinsic, 외인성)
. 불순물을 포함
. 어느 한 종류의 반송자가 다른 종류에 비해 많음
. 종류 : p형 반도체, n형 반도체, 보상 반도체
ㅇ 반도체 원소 구성에 따라
- 원소 반도체 (Element Semiconductor)
. Si, Ge 등 (4족 원소) ☞ Si Ge 비교 참조
- 화합물 반도체 (Compound Semiconductor)
. 이원계 (binary)
.. 3족-5족 : GaAs (갈륨 비소), GaP (갈륨 인), GaSb, InP (인듐인), InAs, InSb, AlP,
AlAs
.. 2족-6족 : ZnSe, ZnTe (텔루르화 아연), CdS (황화 카드뮴), CdTe 등
.. 4족-4족 : SiC (실리콘 카바이드)
. 삼원계 (ternary) : AlxGa1-xAs 등
. 사원계 (quarternary) : AlxGa1-xAsySb1-y 등
- 산화물 반도체 (Oxide Semiconductor)
. 가스 센서, 디스플레이 등에 쓰임
.. 산화물 반도체가 가스를 흡수하면 전기저항이 변하는 현상 등을 이용
.. 例) SnO2, ZnO, Cu2O 등
. 통상, 전자의 이동도가 크고, 정공의 이동도가 매우 작은, 공통된 특징이 있음
ㅇ 반도체 내 전하캐리어의 생성,소멸 방식에 따라
- 직접 천이형 반도체 : 例) GaAs, GaN 등과 같은 화합물 반도체
- 간접 천이형 반도체 : 例) Si,Ge 등
ㅇ 반도체 고체 형태에 따라 ☞ 결정학 참조
- 비결정성/비정질 (Amorphous) : 수 개 정도의 원자,분자 크기 내에서 만 질서 있음
- 결정성/결정질 (Crystalline)
. 단결정체(Single Crystal) : 반도체 전체에 걸쳐 질서 있음 ☞ 단결정 성장 참조
. 다결정체 (Poly Crystal) : 꽤 많은 원자,분자 크기 내에서 만 질서 있음 ☞ 다결정 실리콘
.. 크기 및 방향이 다른 단결정체(결정립)가 불규칙적으로 모여 전체를 구성
4. 반도체의 제조
※ ☞ 단결정 성장, 웨이퍼 참조
- 고 순도 단결정 : 정확한 전기 전도 특성의 제어를 위해 순수한 단결정이어야 함
※ ☞ 반도체 집적공정 참조
- 순수 단결정으로부터 디바이스 제작에 이르는 공정 기술
5. 반도체의 전기전도성
ㅇ 전기전도성의 원인 : 전하캐리어의 이동 현상
- 반도체 내 전하캐리어의 종류 : 전자(전도대의 전자), 정공(가전자대의 홀, 구속전자)
- 반도체 내 전하캐리어의 생성/소멸 ☞ 직접 재결합, 간접 재결합 등 참조
- 반도체 내 전하캐리어 밀도 ☞ 캐리어 농도 참조
- 반도체 내 전하캐리어의 이동 ☞ 전하 이동 (전류) 참조
. 반도체 접합 점/면에서, 전자 또는 정공인 전하 운반체(전하 캐리어)의 이동 현상
.. 확산 현상 (Diffusion) : 불순물 농도가 큰 쪽에서 낮은 쪽으로 이동
.. 드리프트 현상 (Drift) : 외부 인가 전계에 의해 이동
- 반도체 내 전하캐리어의 이동 용이성 ☞ 이동도, 전도도 참조
6. 반도체의 응용성
ㅇ 응용성 : 전기전도 (전류) 제어, 광전 변환/전광 소자, 소형화 (집적공정) 등
7. 반도체의 응용 소자
ㅇ 다이오드 ☞ 다이오드 응용 참조
ㅇ 트랜지스터 (1947년 Bardeen,Bratten,Shockley 발명 : BJT, FET)
ㅇ 집적회로 (1958년 Jack Kilby 발명)
ㅇ 열전 소자 (열,전기 간의 관계를 이용 : 펠티에효과 등)
ㅇ 저항 소자 (온도,전압,응력 등에 따라 변하는 저항 특성을 이용 : 서미스터,바리스터,압전소자 등)
ㅇ 전력 스위칭 소자 (대 전류,고 내압,고 내열화,고 신뢰성 등을 필요 : 사이리스터 등)
ㅇ 전광 소자 (LD, LED)