1강. 반도체 소자를 위한 반도체 정의

※ 반도체의 정의

일반적으로 반도체를 정의 할 때, 전기가 잘 통하는 도체와 전기가 잘 통하지 않는 부도체의 중간적인 성질을 나타내는 물질이라고 합니다. 하지만 그 중간적인 성질이 무엇일까요? 또 전기가 잘 통한다, 통하지 않는다는 기준은 어떻게 나누는 것일까요?

이 물음의 답은 반도체물성을 확인해보면 알 수 있습니다. 반도체의 정의는 물성적으로 다시 하게 된다면 전도대(이하 Conduction Band)와 가전자대(이하 Valence Band)의 Gap이 적어 불순물을 첨가해주고, 특정 조건(전압, 빛 등)을 가해주면 전기가 통할 수 있는 물질을 말합니다. 이러한 물성적 특징은 회로에서 스위치의 역할을 할 수 있는 것입니다.

 

그리고 반도체로 주로 사용하는 물질은 Silicon이라고 불리는 규소입니다. 이는 14족 원소로 최외각전자가 4개입니다.

그리고 각 규소(이하 실리콘)들은 서로 전자들을 공유하며, 공유결합을 하고있는 상태입니다.

아래 사진은 순수한 실리콘의 결합상태를 보여주고 있습니다.

 

위의 실리콘 원자들 중 하나를 따로 떼어와서 다시 살펴보겠습니다.

실리콘은 원자번호가 14번, 즉 양성자와 전자의 개수가 14개입니다. 그리고 실리콘의 최외각 전자의 수는 4개입니다. 이러한 이유로 실리콘들은 서로의 최외각 전자들을 공유하여, 옥탯규칙을 만족하고 안정된 상태를 유지할 수 있습니다.

그러면 여기에서 불순물을 첨가해보면 어떻게 될까요?

첫째로, 13족원소 Boron을 첨가해보겠습니다.

Boron은 13족원소로 최외각전자의 개수가 3개입니다. 그렇다면 위 그림과 마찬가지로 실리콘과 Boron이 결합하고 있는 부분은 전자의 개수가 1개 없는 "비어있는 상태"가 만들어집니다. 이러한 상태는 안정적인 상태를 보장하지 못하기 때문에, 전자들이 빈 공간을 채우려고 움직이게 됩니다.

전자가 이동하면서 비어있는 구멍(Hole)을 채우며 이동하게됩니다. 이 과정에서 전자들이 이동하게 되고 전류를 발생시킬 수 있습니다. 이때 전류를 발생시키게 하는 원인은 바로 비어있는 공간 즉, Hole이라고 불리는 Carrier입니다.

 

두번째로 15족원소 Phosphorus를 첨가해보겠습니다.

15족원소를 추가하면 공유결합의 옥탯규칙보다 전자 1개가 더 많아집니다. 이때 잉여전자들은 다른 곳으로 이동하며 전류를 발생시킬 수 있고, 이때의 Carrier는 Electron 즉, 전자라고 부릅니다. 이동과정은 아래와 같이 임의로 움직입니다.

 

반도체의 기본적인 설명을 진행했습니다. 다음 포스팅에서는 정의의 내용을 조금 더 구체적으로 하기위해 Conduction Band, Valence Band가 무엇인지 Gap은 무엇인지에 대해서 포스팅하도록 하겠습니다.