반도체 소자 #1 - Introduction Se-mi

반도체 포트폴리오를 준비하면서 반도체 소자에 대한 이해와 반도체 8대 공정에 대해 다룰려고 한다.

 

가로, 세로 혹은 높이가 각각 일정한 간격으로 규칙성 있게 반복된 구조를 격자라고 부른다. 평면부터 공간까지 n차원의 격자들중 3차원의 격자를 공간격자라 부른다. 이러한 공간격자들의 구조에는 다양한 구조가 존재한다.

1. 다이아몬드 구조 (Si, Ge, C, Sn)

여기서 3축이 직각이고 길이가 모두 같은 입방정을 다룰건데, 그중 각 면의 중심에 원자가 하나 더 존재하는 면심격자의 구조를 하고 있으며, 각 원자 위치에서 결정축에 따라 각 1/4 되는 곳에 새로운 원자가 첨가되어 있을 때의 구조를 다이아몬드 구조라 부른다. 

 

 

 

 

 

2. Zinc-blende 구조 (GaAs, GaP)

다이아몬드형 격자의 결정을 이루는 원자들 중 면심입방 브라베격자를 구성하는 원자와 각 결정축 방향으로 1/4씩 이동한 위치에 해당되는 원자가 다른 종류일 때를 Zinc-blende 구조라 부른다.

 

 

 

 

 

 

에너지밴드

에너지대는 일반적으로 낮은 에너지대가 모두 채워지고 난후, 높은 에너지대의 자리가 채워지고, 위의 에너지대를 전도대, 아래의 에너지대를 가전자대라고 하며, 가운대 전자가 허용되지 않는 구역을 금지대라고 말한다.

 

 

여기서 반도체란 도체 와 부도체의 중간 영역에 속하는 성질을 가지는 물질을 말하며

에너지 갭[Eg] = 0~4 eV 를 가진다. (Si의 경우 1.12eV의 금지 대역폭을 가진다.)

가전자대의 전자가 열이나 충격등에 의해 전도대로 쉽게 올라갈 수 있다.

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반도체의 반송자

반도체에서 전하를 띄고 움직이는 입자를 반송자(carrier)라고 말하며 전자와 정공 두 가지가 있다. 일반적으로 원자와 원자사이에 3가의 원소를 넣게되는 경우 정공이 발생한다. 또한 원자와 원자사이에 5가의 원소를 넣는 경우 자유전자가 발생하게 되며, 자유전자와 정공은 독립적으로 움직이게 된다.

 

1.진성(순수) 반도체: 불순물을 포함하지 않은 순수 반도체

높은 순도를 가진 반도체며, 일반적으로 사용되는 대부분의 반도체는 약가의 불순물을 넣은 반도체이다. Ⅳ족(Ge, Si, C)

순수한 실리콘(si) 에서는 원자핵에 결합되어 있는 전자가 움직일 수 없기 때문에 외부에서 전압을 인가해도 전류는 흐르지 않는다.

2.​외인성 반도체: 외부에서 주입된 불순물 원자로부터 만들어진 전자나 정공들에 의하여 전도성을 갖는 반도체를 말한다.

 

n형 반도체: 5가의 불순물을 포함한 반도체 Ⅲ+ Ⅴ 족 (B, Al, Ga, In) 인(P)와 같은 5가 불순물을 넣으면 공유결합을 하는데 필요한 4개의 전자를 제외한 1개의 전자는 도너 준위를 갖게 된다. 이 전자는 자유전자가 되며, 이와 같이 자쥬전자가 만들어지는 불순물을 도너(Donor)라고 부른다.

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p형 반도체: 3가의 불순물을 포함한 반도체 Ⅲ+ Ⅳ 족 ((P, As, Sb) 붕소(B)와 같은 3가 불순물을 넣으면 이웃하는 전자를 1개 받아들임으로써 자신은 음전하를 띄고 전자가 빠져나간 자리에 정공을 만들면서 공유결합을 완결시킨며 이러한 불순물을 억셉터(Acceptor) 라고 한다.

 

보상반도체: 일반적인 반도체를 만들때 주로 n, p 형의 불순물이 공존하게 되며 어느 쪽이 많이 도핑 되는냐에 따라 형이 결정된다. Na > Nd 일 때를 p형 반도체라 하고, Nd > Na 일 때를 n형 반도체라고 부른다.

 

페르미 준위: 고체내의 전자 상태를 나타내기 위해 전자의 존재 확률이 1/2 로 되는 에너지 준위를 나타내는 것.

 

확률함수 f(E) 로 나타내며, E = Ef 일 때 온도에 관계없이 1/2 이므로, 페르미 준위에서 전자로 채워질 확률이 50%가 되는 것 이다. 

여기서 T = 0K 일 때와 T =3000K 일 때를 비교하면 온도가 낮을수록 기울기가 급격히 증가하는 모습이 보인다.

 

이러한 페르미 준위는 n, P형 반도체일때 위치가 달라진다.

우선 n형 반도체의 경우 전도대와 도너준위의 중앙에 페르미 준위가 위치한다. 그리고 온도가 증가함에 따라 페르미 준위가 점점 낮아진다. p형 반도체의 경우 가전자대와 억셉터 준위 사이에 존재하다가 온도가 증가함에 따라 밴드갭 중앙으로 이동할 수 있다.

 

처음 써보는 블로그라 넘 어색..하지만 어쨌든 앞으로 꾸준히 쓸 예정 ^^