반도체, semiconductor

 

 

반도체, 半導體, semiconductor

 

상온에서 전기 전도율이 구리 같은 도체(전도체)하고 애자, 유리 같은 부도체(절연체)의 중간 정도인 물질이다.

가해진 전압이나 열, 빛의 파장 등에 의해 전도도가 바뀐다. 일반적으로는 규소 결정에 불순물을 넣어서 만든다. 주로 증폭 장치, 계산 장치 등을 구성하는 집적회로를 만드는 데에 쓰인다.

반도체는 매우 낮은 온도에서는 부도체처럼 동작하고 실온에서는 도체처럼 동작한다. 다만 반도체는 부도체처럼 동작할 때와 도체처럼 동작할 때 각각 부도체나 도체와 다른 점이 있다. 부도체하고의 차이점으로는 띠틈이 커 전자가 전도띠로 잘 올라가지 못하는 부도체와 달리 에너지 띠간격이 충분히 작아 실온에서 전자가 쉽게 전도띠로 올라갈 수 있다는 점이 있으며 도체와의 차이점으로는 절대 영도에서 가장 윗부분의 전자띠가 도체처럼 일부만 차 있는 것이 아니라 가득 차 있다는 점이 있다.

[반도체의 띠구조]

가득찬 원자가띠와 비어있는 전도띠를 보여주는 반도체의 띠구조. 페르미 준위는 금지된 띠틈 (전도띠와 원자가띠 사이) 속에 있다. 
반도체란 절대 영도에서 가장 위의 원자가띠가 완전히 차 있는 고체이다. 다르게 말하자면, 전자의 페르미 에너지가 금지된 띠틈에 있는 것을 말한다. (절대 영도에서 전자 상태가 어느 수준까지만 차 있게 되는데, 이를 페르미 에너지라고 한다.) 

실온에서는 전자 분포가 조금 흐트러지는 현상이 발생한다. 물론 조금이긴 하지만, 무시할 수 없는 만큼의 전자가 에너지 띠간격을 넘어서 전도띠로 간다. 전도띠로 갈만큼 충분한 에너지를 가지고 있는 전자는 이웃하고 있는 원자와의 공유결합을 끊고, 자유롭게 이동할 수 있는 상태가 돼서 전하가 전도한다. 이렇게 전자가 뛰쳐나온 공유결합은 전자가 부족해지게 된다.(또는 자유롭게 이동할 수 있는 양공이 생겼다고도 볼 수 있다. 양공은 사실 그 자체가 움직이는 것은 아니지만, 주변의 전자가 움직여서 그 양공을 메우면 양공이 그 전자가 있던 자리로 옮겨간 것처럼 보인다. 

도체와 반도체의 중요한 차이점은, 반도체에서는 전류가 흐르는 경우 전자와 양공이 모두 이동한다는 것이다. 이와 달리 금속은 페르미 준위가 전도띠 안에 있기 때문에 그 전도띠는 일부만 전자로 채워진다. 이 경우에는 전자가 다른 비어있는 상태로 이동하기 위해 필요한 에너지가 적고, 그래서 전류가 잘 흐른다. 

반도체의 전자가 가전자대에서 전도띠로 얼마나 쉽게 이동하는지는 그 띠 사이의 띠틈에 달려있다. 그리고 이 에너지 띠틈의 크기가 반도체와 부도체를 나누는 기준이 된다. 보통 띠틈이 2 eV 이하인 물질은 반도체로 간주하고, 이보다 큰 경우에는 부도체로 간주한다. 

물질에서 전류를 흐르게 하는 전자는 보통 그냥 "전자"라고 하지만, 정식 명칭은 "자유전자"이다. 가전자대의 양공은 마치 전자에 대응되는 양전하 입자와 같은 성질을 띤다. 그래서 보통 양공을 실제로 대전된 입자로 간주한다. 

[반도체 도핑]

반도체가 전자공학에서 많이 활용되는 중요한 이유 중에는, 불순물을 조금만 첨가해서 반도체의 특성을 크게 바꿀 수 있다는 점이 있다. 이러한 과정을 도핑(영어: doping)이라 하고, 넣는 불순물을 도펀트(영어: dopant)라고 한다.

반도체에 불순물을 많이 첨가하면, 반도체의 전도도가 10억 배 이상 증가한다. 이러한 특성 때문에 오늘날에는 집적 회로를 만들 때, 불순물이 많이 첨가된 다결정 실리콘을 금속대신에 사용하기도 한다.

[고유 반도체와 비고유 반도체]
고유 반도체는 불순물이 반도체의 전기적 성질에 영향을 미치지 않을 만큼 적게 들어 있는 순수한 반도체를 가리킨다. 이러한 경우에 모든 운반자는 열이나 빛에 의해 들떠서 생긴 전자와 양공뿐이다. 고유 반도체에 열이나 빛이 가해지면, 전자로 가득 차 있던 가전자대에서 전자가 튀어나와서 전도띠로 이동하는 것이다. 그러므로 고유반도체에서는 전자와 양공이 같은 수로 존재한다. 전자와 양공은 전기장에서 서로 반대방향으로 이동하지만, 만들어 내는 전류의 방향은 같은데, 전자와 양공이 띠고 있는 전하가 서로 다르기 때문이다. 하지만, 고유 반도체에서 전자에 의한 전류와 정공에 의한 전류가 같은 것은 아니다. 왜냐하면 전자와 정공의 유효 질량이 다르기 때문이다. 

운반자의 농도는 온도에 따라 크게 변한다. 낮은 온도에서는 원자가띠가 가득 차서, 반도체는 절연체가 돼 버린다. 온도를 높이면 운반자의 숫자가 증가해서, 반도체의 전기 전도도가 증가한다. 이러한 원리는 서미스터에서 사용된다. 이러한 변화는 온도가 증가하면 열 전도도는 높아지지만 전기 전도도가 낮아지는 대부분의 금속과는 완전히 다른 것인데, 금속은 온도가 높아지면 포논 산란이 잘 일어나기 때문이다. (추가)금속의 경우 온도가 높아지면 열전도도는 증가하지만 전기전도도는 낮아진다. 위에서 말한 전도도는 전기전도도를 말하는 것으로 포논 산란, 즉 원자들 사이의 격자 진동이 증가하게 되면 전자들의 이동 경로를 방해하기 때문에 전기전도도는 낮아지는 것이다. 

비고유 반도체는 운반자의 종류와 개수를 바꾸기 위해 불순물을 첨가한 반도체를 가리키며, 불순물에 따라 N형과 P형으로 나뉜다.

[반도체 재료의 순도와 무결성]
반도체가 예측가능하고 믿을 만한 전기적 특성을 띠도록 대량 생산하는 것은 어려운 일이다. 그러기 위해선 화학적 순도가 높고, 결정 구조가 완벽해야 하기 때문이다. 아주 작은 불순물에 의해서 반도체의 성질이 매우 크게 변하기 때문에, 대단히 높은 화학적 순도가 필요하다. 이러한 높은 화학적 순도를 달성하기 위해서 사용되는 방법 중에 zone refining이 있는데, 고체 결정이 녹을 때 사용한다. 불순물은 녹은 부분에 모이는 성질이 있어서, 고체 부분을 더욱 순수하게 만들 수 있다. 이러한 높은 순도뿐만 아니라, 완벽한 결정구조도 필요하다. 만약에 결정구조가 완벽하지 않어서 dislocation, twins, stacking faults같은 결함이 있는 경우, 띠간격에 새로운 에너지 준위가 생성돼서 반도체의 전기적 특성이 변하게 된다. 이러한 결정구조의 결함은 불량 소자를 생산하게 되는 중요한 이유이다. 결정이 커질수록 이에 필요한 순도와 무결성을 달성하기 힘들어진다. 오늘날 대량 생산에서 사용하는 결정은 지름이 4~12인치인 기둥을 얇게 잘라내서 웨이퍼로 만든 것이다.

 

It is a material whose electrical conductivity is between a conductor such as copper (conductor) and a non-conductor such as insulator and glass (insulator) at room temperature.

The applied voltage, heat, and wavelength of light change the conductivity. Generally, silicon crystals are made with impurities. It is mainly used to create integrated circuits that make up amplification devices and calculation devices.

Semiconductors behave like nonconductors at very low temperatures and like conductors at room temperature. However, semiconductors differ from nonconductors and conductors when they operate like conductors. The difference between nonconductors is that the energy band gap is small enough that electrons can easily rise to the conduction band at room temperature, and the difference from conductors is that the electron band at the top of absolute zero is full, not just partially full, like a conductor.


[Structure of semiconductor bands]

 

Band structure of semiconductor showing full atomic bands and empty conduction bands. The Fermi level is in a forbidden band gap (between conduction bands and atomic bands).
A semiconductor is a solid with the highest atomic band at absolute zero completely filled. In other words, it means that the Fermi energy of an electron is in a prohibited band. (At absolute zero, the electron state is filled to a certain level, which is called the Fermi energy.)

At room temperature, the distribution of electrons is slightly disturbed. Of course, it is a little, but not negligible, electrons cross the energy band gap and go to the conduction band. Electrons with enough energy to go to the conduction band break their covalent bonds with neighboring atoms, and become free to move, so that their electric charges conduct. The covalent bond from which the electrons have bolted becomes short of electrons. (Or it can be said that there is a covalent hole that can move freely.) In fact, a covalent hole does not move in itself, but when the surrounding electrons move and fill the covalent hole, it seems that the covalent hole has moved to where the electrons were.


In semiconductors, both electrons and positive holes move when current flows, which is an important difference between conductors and semiconductors. In contrast, since the metal has a Fermi level in the conduction band, only a part of the conduction band is filled with electrons. In this case, the energy required for the electrons to move to another empty state is low, so the current flows well.

The band gap between the bands determines how easily electrons in semiconductors move from the band to the conduction band. The size of this energy band gap serves as the criterion for separating semiconductors and non-conductors. A material with a band gap of 2 eV or less is usually regarded as a semiconductor, and a material larger than this is regarded as a non-conductor.

Electrons that allow current to flow in a material are usually simply referred to as "electrons," but their formal name is "free electrons." Positrons in the valence band have the same properties as positively charged particles corresponding to electrons. Therefore, Positrons are usually regarded as actually charged particles.

[Doping semiconductors]

One of the important reasons why semiconductors are widely used in electronic engineering is that the characteristics of semiconductors may be greatly changed by adding a small amount of impurities. This process is called doping (English), and impurities added are called dopants (English).

Adding a lot of impurities to a semiconductor increases the conductivity of the semiconductor by more than 1 billion times. Because of these characteristics, when making integrated circuits, polycrystalline silicon with a lot of impurities is sometimes used instead of metal.

[Unique semiconductors and non-unique semiconductors]
Intrinsic semiconductors refer to pure semiconductors that contain so little impurities that they do not affect the electrical properties of semiconductors. In this case, all carriers are electrons and positive holes, which are excited by heat or light. When heat or light is applied to the intrinsic semiconductor, electrons are released from the home appliance band filled with electrons and move to the conduction band. Therefore, in an intrinsic semiconductor, electrons and positive holes exist in the same number. Electrons and positive holes move in opposite directions in an electric field, but the electric charges produced by the electrons and positive holes are different. However, in an intrinsic semiconductor, the current by electrons and the current by holes are not the same. This is because the effective mass of electrons and holes is different.

The carrier concentration varies greatly with temperature. At low temperatures, the valence band becomes full, and the semiconductor becomes an insulator. Increasing the temperature increases the number of carriers, increasing the electrical conductivity of the semiconductor. This principle is used in thermistors. This change is completely different from most metals, where the thermal conductivity increases with increasing temperature but the electrical conductivity decreases, because metals scatter well with increasing temperature. For (additional) metals, as temperature increases, the thermal conductivity increases but the electrical conductivity decreases. The conductivity mentioned above refers to the electrical conductivity, and when phonon scattering, that is, when lattice vibration between atoms increases, the electrical conductivity decreases because it interferes with the moving path of electrons.

Non-oil semiconductors refer to semiconductors with impurities added to change the type and number of carriers, and are divided into N-type and P-type depending on the impurities.



[Purity and Integrity of Semiconductor Materials]
It is difficult to mass-produce semiconductors to have predictable and reliable electrical properties. This is because the chemical purity must be high and the crystal structure must be perfect. Since the properties of semiconductors change very significantly by very small impurities, very high chemical purity is required. One of the methods used to achieve this high chemical purity is zone refinement, which is used when solid crystals melt. Impurities have the property of aggregating in the melted part, making the solid part purest. Not only this high purity is required, but a perfect crystal structure is also required. If the crystal structure is not perfect and there is a defect such as dislocation, twins, and stacking faults, a new energy level is created at the band gap and the electrical characteristics of the semiconductor change.