제1장 반도체의 개요

(1)

제1장 반도체의 개요

1.1 원자(Atom)

- 원자는 물질을 형성하는 가장 작은 입자이며, 즉 모든 물질의 기본 구성 단위

⇒ 보어는 핵과 핵 주위를 회전하는 전자로 구성된 원자 모델을 제안

⇒

원자(atom)



원자핵(atomic nucleus)



전자(electron)

⇒

원자핵



양성자(proton)



중성자(neutron)

⇒ 양성자는 양(), 전자는 음()으로 대전된 입자

⇒ 중성자는 전기적인 특성을 갖지 않는 입자

전자 양성자 중성자

그림 1.1 보어(Bohr)의 원자 모델

- 원자들은 각각 서로 다른 수의 전자와 양성자로 이루어져 다른 원자들과 구분

⇒ 그림 1.2(a)에서 수소 원자는 1개의 양성자와 1개의 전자로 구성

⇒ 그림 1.2(b)에서 헬륨 원자는 2개의 양성자와 2개의 전자로 구성

중성자

전자

양성자 원자핵

(a) 수소 원자 (b) 헬륨 원자

(2)

•원자번호(Atomic Number)

- 모든 원소는 양성자 수와 동일한 고유의 원자번호에 따라 주기율표에 배열

⇒ 원자는 동일한 수의 양성자와 전자를 가지며, 전기적으로 중성

⇒ 그림 1.3은 원자번호에 따라 모든 원소를 배열한 주기율표

그림 1.3 원소의 주기율표(Periodic Table)

◉ 전자각(Electron Shell)과 궤도

•에너지 준위(Energy Level)

- 전자는 원자핵으로부터 특정 거리를 두고 원자핵 주위의 일정한 궤도를 회전

⇒ 원자내의 궤도는

전자각이라는 에너지 준위(energy level)를 형성

⇒

각(shell)은 특정 에너지 준위에 해당하며 불연속적으로 위치한 궤도

⇒ 그림 1.4는 실리콘 원자의 전자각을 보여주는 보어 모델을 표시 - 원자핵으로부터 먼 궤도의 전자일수록 에너지 준위가 높고 핵과의 결합력 弱

⇒ 최고의 에너지 준위를 가진 전자들은 최외각 궤도(가전자각)에 존재

⇒

가전자(valence electron), 최외각 전자(peripheral electron)

⇒ 물질 내에서 화학적 반응과 결합에 기여하여 물질의 특성을 결정 - 각각의 전자각 내의 최대 전자수



_는 전자각의 번호가 일 때



_

 

^

⇒ 각1 :



_  ^  ×^ , 각2 :



_  ^  ×^ 

⇒ 각3 :



_  ^  ×^ , 각4 :



_  ^  ×^ 

(3)

1.1 원자(Atom) 3

14p,14n 각1

각2

핵 각3

그림 1.4 실리콘 원자의 보어 모델

◉ 이온화(Ionization)

- 원자핵에 가까운 궤도의 전자들은 원자핵과의 결합력이 강하여 궤도 이탈 불가

⇒

구속전자(bound electron)

- 최외각 전자들은 충분한 에너지를 흡수하면 원자로부터 궤도의 이탈이 가능

⇒

자유전자(free electron)

- 중성상태의 원자가 전자를 얻거나 잃고서 전기적 성질을 띠게 되는 현상

⇒

대전(electrification)

또는

이온화(ionization)

- 중성상태의 원자가 전자를 잃고서 ()로 대전된 원자, 양성자수＞전자수

⇒

양이온(positive ion)

- 중성상태의 원자가 전자를 얻어서 ()로 대전된 원자, 전자수＞양성자수

⇒

음이온(negative ion)

(4)

1.2 전자소자에 사용되는 물질

◉ 절연체, 도체 및 반도체

- 전기적인 특성의 관점에서 보면 원자는 가전자각(최외각)과 코어(core)로 표시

⇒ 코어는 원자핵과 내부 전자각으로 구성

- 그림 1.6과 같이 탄소 원자는 2개의 코어 전자와 4개의 최외각 전자로 구성

⇒ 코어는 4의 순전하(net charge)를 보유

⇒ 순전하(4)  원자핵(6)  전자(2)

+6

코어(4)

그림 1.6 탄소의 원자 모델

•절연체(Insulator)

- 가전자들이 원자에 구속되어 자유전자가 거의 없어서 전류가 흐르지 않는 물질

⇒ 4개 이상의 가전자로 구성, 전류의 흐름을 막기 위한 용도로 사용

⇒ 고무, 플라스틱, 유리, 운모, 석영 등의 화합물

•도체(Conductor)

- 한 개의 가전자를 갖는 원자로 구성된 물질로 무수히 많은 자유전자를 보유

⇒ 자유전자가 동일 방향으로 움직일 때 전류(current)를 형성

⇒ 금, 은, 구리, 알루미늄, 철과 같은 단일원소 물질

•반도체(Semiconductor)

- 도체보다 적은 자유전자를 가지고 있어 전류의 흐름이 원활하지 않은 물질

⇒ 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)이 가장 보편적인 반도체 물질

⇒ 단일원소의 반도체는 4개의 가전자를 갖는 원자들로 구성

(5)

1.2 전자소자에 사용되는 물질 5

◉ 에너지갭(Energy Gap)

- 전자의 에너지 준위가 서로 인접한 다른 원자의 영향으로 띠 모양으로 퍼진 것

⇒

에너지대(energy band)

- 각 원자의 동일 에너지 준위의 가전자각이 띠 모양으로 퍼져 에너지대를 형성

⇒

가전자대(valance band)

- 가전자대의 전자들이 외부에서 충분한 에너지를 얻으면 전도대로 이동

⇒ 전도대의 전자는 원자에 구속되지 않고 자유롭게 이동 가능

⇒

자유전자(free electron)

- 가전자가 가전자대에서 전도대로 이동하기 위해 필요한 에너지의 양

⇒ 가전자대와 전도대 사이의 에너지 준위의 차이

⇒

에너지 갭(energy gap)

중첩

0

가전자대 전도대 에너지

에너지갭

(a) 절연체

0

에너지갭

(b) 반도체

0

(c) 도체 그림 1.7 물질의 종류에 따른 에너지대의 구조

- 절연체는 에너지갭이 매우 커서 가전자대의 전자들이 전도대로 이동 불가

⇒ 고전압에 의한 항복상태가 되면 이동 가능, 그림 1.7(a)

- 반도체는 에너지갭이 작아서 가전자대의 전자들이 전도대로 쉽게 이동 가능

⇒ 전도대의 전자들(자유전자)이 도전현상에 기여, 그림 1.7(b) - 도체는 그림 1.7(c)와 같이 가전자대와 전도대가 겹쳐서(중첩되어) 존재

⇒ 항상 많은 자유전자가 존재

(6)

◉ 도체 원자와 반도체 원자의 비교

- 그림 1.8은 반도체인 실리콘(Si)과 도체인 구리(Cu)의 원자구조를 표시

⇒ 실리콘 원자의 코어는 순전하 4(양성자 14, 전자 10)

⇒ 구리 원자의 코어는 순전하 1(양성자 29, 전자 28)

⇒ 실리콘이 구리보다 가전자에 대해 4배 큰 구속력 보유

(b) 구리(Cu) (a) 실리콘(Si)

+14

코어( ) 가전자

+29

코어(1) 가전자

그림 1.8 실리콘과 구리의 원자구조

◉ 실리콘과 게르마늄

- 그림 1.7은 반도체 물질인 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)의 원자구조를 표시

⇒ 실리콘의 가전자가 게르마늄의 가전자보다 가까이 위치

⇒ 게르마늄의 가전자가 실리콘의 가전자보다 높은 에너지준위

⇒ 실리콘의 가전자가 전도대로 이동하는데 더 많은 에너지 필요 4개의 가전자

(b) 게르마늄(Ge) (a) 실리콘(Si)

+14

+32

그림 1.9 실리콘과 게르마늄의 원자구조

(7)

1.2 전자소자에 사용되는 물질 7

•공유결합(Covalent Bonds)

- 원자가 고체상태의 분자로 결합될 때 결정내의 각 원자들은 가전자들을 공유

⇒ 원자들은 분자간 결합력이 강하여 안정된 결합상태를 유지

⇒

공유결합(covalent bonds)

- 그림 1.10의 실리콘 원자는 이웃한 4개의 원자와 각각 한 개씩 가전자를 공유

⇒ 각 실리콘 원자가 8개의 가전자를 갖게 되는 효과를 표시

⇒ 공유된 전자들은 인접한 원자에 의해 같은 인력이 작용

⇒ 화학적으로 안정된 결합상태를 유지

Si ^Si ^Si

Si

+14 +14

+14

+14 +14

(a) 공유결합 (b) 결합 다이어그램 그림 1.10 실리콘의 공유결합

- 그림 1.11은 순수한(진성) 실리콘 결정 내에서 원자의 공유결합 구조를 표시

⇒ 불순물이 포함되지 않는

진성(intrinsic)의 실리콘 결정

Si Si Si Si Si

그림 1.11 실리콘 결정의 공유결합

(8)

1.3 반도체 내의 전류

- 그림 1.12는 절대온도 0°K에서 여기되지 않은 실리콘 결정의 에너지대를 표시

⇒ 핵 주위에 존재하는 각각의 전자각은 각각의 에너지대와 일치

⇒ 각 전자각 사이에는 전자가 존재하지 않는 에너지갭이 존재

핵

에너지갭 에너지갭 에너지

에너지갭 첫째 대(각1)

둘째 대(각2) 가전자대(각3) 전도대

그림 1.12 실리콘 원자의 에너지대 구조

◉ 전도전자와 정공

- 가전자들은 충분한 열에너지를 받으면 자유전자가 되어 전도대로 이동

⇒

전도전자(conduction electron)

+14 +14

열에너지 자유전자

정공

(b) 결합 다이어그램 에너지

가전자대 전도대

에너지갭

정공 자유전자

열에너지

전자-정공쌍 (a) 에너지 다이어그램

그림 1.13 실리콘 결정에서의 전자-전공쌍의 생성

(9)

1.3 반도체 내의 전류 9

- 그림 1.13(a)는 실리콘의 에너지대, 그림 1.13(b)는 결합 다이어그램을 표시

⇒ 전자가 전도대로 이동하면 가전자대에 빈자리가 하나 생성

⇒

정공(hole)

,

전자-정공쌍(electron-hole pair)

- 여기된 전도대의 전자가 에너지를 잃으면 다시 가전자대의 정공으로 복귀

⇒

재결합(recombination)

- 그림 1.14는 실리콘 결정 내의 가전자들이 여기되고 재결합되는 상태를 표시

Si Si Si Si Si

전자-정공쌍 의 생성

정공과 전자 의 재결합

열에너지

그림 1.14 실리콘 결정 내의 전자-정공쌍

◉ 전자전류와 정공전류

- 전도대 내의 열적으로 생성된 자유전자는 결정구조 내에서 불규칙적으로 분포

⇒ 그림 1.15와 같이 전압을 인가하면 자유전자들이 양극 쪽으로 이동

⇒ 자유전자들이 이동하면서 반도체 내에서 전류를 형성

⇒

전자전류(electron current)

Si Si

Si Si Si

Si



그림 1.15 진성 실리콘 내의 전자전류

(10)

- 가전자대의 전자들은 원자에 구속되어 결정 내에서 자유로운 이동이 곤란

⇒ 가전자들은 인접한 원자의 정공으로 이동하여 정공과 결합 가능

⇒ 가전자가 이동한 자리에는 새로운 정공이 생성

- 그림 1.16와 같이 가전자의 이동에 따라 정공이 한 곳에서 다른 곳으로 이동

⇒ 정공의 이동은 반도체 내에서 또 다른 전류를 형성

⇒

정공전류(hole current)

- 그림 1.16에서 가전자는 좌측에서 우측으로, 정공은 우측에서 좌측으로 이동

⇒ 파란색 화살표는 전자의 이동, 빨간색 화살표는 정공의 이동

① 자유전자는 가전자각에 정공을 생성

② 가전자가 첫째 정공으로 이동 둘째 정공을 생성

③ 가전자가 둘째 정공으로 이동 셋째 정공을 생성

④ 가전자가 셋째 정공으로 이동 넷째 정공을 생성

⑤ 가전자가 넷째 정공으로 이동 다섯째 정공을 생성

⑥ 가전자가 다섯째 정공으로 이동 여섯째 정공을 생성

Si Si Si

그림 1.16 진성 실리콘 내의 정공전류

- 전류는 ()전하를 가진 전자 및 ()전하를 가진 정공의 이동에 의해 발생

⇒ 전자와 정공을

전류 캐리어(current carrier)라 지칭

(11)

1.4 n형과 p형 반도체 11

1.4 n형과 p형 반도체

•도핑(Doping)

- 불순물이 섞이지 않고 공유결합으로 이루어진 순수한 실리콘과 게르마늄 결정

⇒ 자유전자와 정공의 농도가 거의 동일

⇒

진성반도체(intrinsic semiconductor)

- 진성반도체에는 전류 캐리어인 전자나 정공이 거의 없으므로 전류 생성 불가

⇒ 원자가전자가 4가인 Si이나 Ge에 3가 또는 5가의 불순물을 첨가

⇒ 전자나 정공의 수를 증가시켜 전도성을 향상시키는 과정

⇒

도핑(doping)

◉ n형 반도체

- 4가의 진성반도체에 5가의 불순물을 첨가하여 잉여전자를 추가한 반도체

⇒

n 형 반도체(negative type semiconductor)

- 그림 1.17은 4가의 실리콘 원자와 5가의 안티몬 원자의 공유결합 상태를 표시

⇒ 4개의 Sb의 가전자는 Si와 공유결합하고 1개의 잉여전자가 생성

Si

Si Sb Si

Si

잉여전자 _Si

Si Sb Si

Si

자유전자

도너원자 도너이온

그림 1.17 실리콘 결정 구조에서 5가 불순물 원자

- 진성반도체에 첨가되어 4가의 원자와 공유결합된 5가의 불순물 원자

⇒

도너원자(donor atom)

- 중성상태에서 1개의 잉여전자를 잃고 양이온으로 전이된 도너원자

⇒

도너이온(donor ion)

- n형 반도체는 5가의 불순물 첨가로 정공의 수에 비해 전자의 수가 과다

⇒ 다수캐리어(majority carrier) : 전자(electron)

(12)

◉ p형 반도체

- 4가의 진성반도체에 3가의 불순물을 첨가하여 잉여정공을 추가한 반도체

⇒

p 형 반도체(positive type semiconductor)

- 그림 1.18은 4가의 실리콘 원자와 3가의 붕소 원자의 공유결합 상태를 표시

⇒ 3개의 B의 가전자는 Si와 공유결합하고 1개의 잉여정공이 생성

Si

Si B Si

Si

잉여정공

억셉터원자

Si

Si B Si

Si 억셉터이온

그림 1.18 실리콘 결정 구조에서 3가 불순물 원자

- 진성반도체에 첨가되어 4가의 원자와 공유결합된 3가의 불순물 원자

⇒

억셉터원자(acceptor atom)

- 중성상태에서 잉여정공이 전자와 결합하여 음이온으로 전이된 억셉터원자

⇒

억셉터이온(acceptor ion)

- p형 반도체는 3가의 불순물 첨가로 전자의 수에 비해 정공의 수가 과다

⇒ 다수캐리어(majority carrier) : 정공(hole)

⇒ 소수캐리어(minority carrier) : 전자(electron)

- 다음의 표는 진성반도체에 첨가되는 3가 및 5가의 불순물 원소를 표시

구 분 불순물 원소와 원소 기호

3가 원소 인듐(In, 49), 갈륨(Ga, 31), 붕소(B, 5), 알루미늄(Al, 13) 5가 원소 비소(As, 33), 안티몬(Sb, 51), 인(P, 15), 비스무트(Bi, 83)

3가 및 5가의 불순물 원소

(13)

1.5 pn접합(pn Junction) 13

1.5 pn접합(pn Junction)

◉ 공핍영역의 형성

- 그림 1.19(a)와 같이 실리콘의 반은 3가의 불순물, 반은 5가의 불순물로 도핑

⇒ p형과 n형 사이의 경계부분인

pn 접합(pn junction)이 형성

⇒ p영역에서 다수캐리어는 정공, 소수캐리어는 전자

⇒ n영역에서 다수캐리어는 전자, 소수캐리어는 정공

- 그림 1.19(a)에서 n영역의 다수캐리어인 전자가 접합면을 넘어 p영역으로 확산

⇒ 접합면 근방에서 p영역의 다수캐리어인 정공과 결합

⇒ n영역의 5가의 원자들은 전자를 잃고 도너이온()으로 전이

⇒ p영역의 3가의 원자들은 전자를 얻어 억셉터이온()으로 전이

⇒ 접합면 근방에서 전류캐리어인 정공과 전자들이 모두 소멸

⇒

공핍영역(depletion region)

n영역 pn접합

p영역 n영역

공핍영역 p영역

장벽전위 (b) 장벽전위의 발생 (a) pn접합 부근의 전자와 정공

그림 1.19 pn접합에 따른 공핍영역의 생성

- 그림 1.19(b)에서 공핍영역의 양이온과 음이온은 접합면 근방에 전계를 형성

⇒ n영역의 전자가 접합면을 넘어 확산되는 것을 방해

⇒

전위장벽(potential barrier)

- p영역과 n영역 사이의 전위장벽에 형성되는 전계에 의해 나타나는 전위차

⇒ 실리콘의 경우 약

0.7V,

게르마늄의 경우 약 0.3V

⇒

장벽전위(barrier potential)

- n영역의 전자들이 전위장벽을 넘어 p영역으로 이동하려면 에너지가 필요

⇒ 외부에서 장벽전위보다 크고 극성이 반대인 전압을 인가

(14)

◉ pn접합의 에너지대 구조와 공핍영역

- 5가와 3가 불순물의 원자적 특성에 기인한 전도대와 가전자대의 에너지준위

⇒ n영역이 p영역보다 약간 낮아 중첩 부분이 형성

(a) pn접합의 형성 순간 에너지

소수캐리어 다수캐리어

다수캐리어 소수캐리어

p영역 pn접합 n영역 0

에너지

(b) 평형상태 p영역 공핍영역 n영역 0

그림 1.20 pn접합과 공핍영역의 형성을 보여주는 에너지 다이어그램

- 그림 1.20(a)는 공핍영역이 형성될 때 pn접합에 대한 에너지대 구조를 표시

⇒ n영역의 에너지대가 p영역보다 낮은 에너지준위에 위치

⇒ n영역의 전도대의 상측 전자들은 p영역의 하측으로 확산

⇒ 에너지를 잃고 가전자대로 떨어져서 가전자대의 정공과 결합

⇒ 확산이 계속되면서 공핍영역이 형성되기 시작

⇒ n영역의 전도대의 에너지준위가 감소

- 그림 1.20(b)와 같이 p영역 전도대의 하측과 n영역의 상측 에너지준위가 평형

⇒ p영역과 n영역의 접합면에 에너지 경사가 생겨 공핍영역이 완성

⇒ n영역에서 p영역으로의 전자의 확산이 중지

- 그림 1.19(b)에서 가전자대와 전도대 사이의 에너지갭은 항상 일정하게 유지

⇒ 전도대의 에너지준위가 낮아지면 가전자대의 에너지준위도 감소

⇒ 가전자가 자유전자가 되기 위해서 필요한 에너지의 양은 동일