#2 반도체 기초: 재료, 구조 및 전기적 특성

1. Semiconductor Materials in Periodic Table

반도체 재료는 주기율표에서 특정한 위치에 있는 원소들로 구성되며, 원소 반도체와 화합물 반도체로 나눌 수 있다. 각각의 반도체는 고유한 전기적 특성을 가지고 있으며, 그 용도와 응용 분야에 따라 적절히 선택된다.

 

- Elemental Semconductor (원소 반도체)

원소 반도체는 단일 원소로 구성된 반도체로 주기율표에서 주로 14족 원소들의 반도체로 작용한다.

 

• 실리콘 (Si): 가장 널리 사용되는 반도체 재료로, 가격이 저렴하고, 풍부하게 존재하며, 우수한 열적 안정성 및 전기적 특성으로 인해 직접 회로(IC), 트랜지스터, 태양관 패널 등에 사용된다.
• 게르마늄 (Ge): 실리콘보다 전기적 성능이 좋지만, 비용이 더 비싸고 열적 안정성이 낮기 때문에 고속 장치나 특정한 애플리케이션에 사용된다.

원소 반도체는 주로 반도체 소자에서 높은 순도와 일관된 전기적 특성을 요구하는 분야에서 사용된다.

 

- Compound Semconductor (화합물 반도체)

화합물 반도체는 두 개 이상의 다른 원소가 결합하여 만들어진 반도체이다. 주기율표 상 13족과 15족 원소의 조합이나 12족과 16족 원소의 조합으로 이루어진다.

 

• 갈륨 비소 (GaAs): 고속 전자 장치나 고주파 장치에서 실리콘보다 더 뛰어난 성능을 발휘한다. 주고 무선 통신 장비와 레이저 다이오드, 태양전지 등에 사용된다.
• 인듐 인화물 (InP): 고속 통신 네트워크와 광통신 분야에서 중요한 역할을 하는 재료이다. 주로 광섬유 통신과 같은 애플리케이션에 사용된다.
• 카드뮴 황화물(CdS): 주로 광전지, 감광 장치 등에 사용된다.

화합물 반도체는 다양한 전기적, 광학적 특성을 제공하며 고속, 고주파 장치나 LED, 레이저 등에서 중요한 역할을 한다.

 

 

2. 고체 물질의 세 가지 주요 구조 유형

재료의 원자 배열 방식에 따라 구분되는 고체 물질의 세 가지 주요 구조 유형이다. 각 구조는 물질의 물리적, 전기적 특성에 중요한 영향을 미친다.

- Crystalline (결정 구조)

원자들의 매우 규칙적인 패턴으로 배열되어 있는 구조이다. 실리콘(Si)이나 다이아몬드와 같은 원소 반도체는 결정 구조를 가진다.

 

결정학적 대칭성과 높은 전기 전도성을 가질 수 있다.

 

- Polycrystalline (다결정 구조)

다결정 구조는 여러 개의 작은 결정 입자(Grain)로 이루어진 구조이다. 각 결정 입자는 규칙적인 배열을 가지지만, 개별 입자 간의 배열은 불규칙적일 수 있다.

 

다결정 구조는 단결정보다는 덜 규칙적이지만, 대량 생산에 용이하고 많은 전자 기기에서 사용된다. 예시로 다결정 실리콘(Poly-Si)는 태양광 패널 및 트랜지스터 같은 전자 소자에 널리 사용된다.

 

- Amorphous (비결정 구조)

비결정 구조는 원자들이 장거리 규칙성을 가지지 않는 불규칙적인 배열을 의미한다. 결정체와 달리 규칙적인 패턴이 없기 때문에 비결정 구조는 다양한 방향으로 특성이 다를 수 있다.

 

아모퍼스 실리콘(Amorphous Silicon, a-Si)은 얇은 필름 트랜지스터(TFT)와 같은 저가 전자 장치나 태양 전지에서 많이 사용된다.

 

 

3. Crystal Structure

- 결정 구조의 주요 개념

• 단위 세포 (Unit Cell): 결정 격자 전체의 구조를 이해하기 위해 선택된 최소 단위이다. 즉 결정체 전체를 반복적인 Cell로 구성하기 위해 선택한 가장 작은 단위이다.
• 격자 (Lattice): 원자, 이온, 또는 분자의 위치를 나타내는 점들이 규칙적으로 배열된 3차원 배열을 말한다.
• 대표적인 결정 구조

1) SC (Simple Cubic, 단순 입방 구조)

가장 기본적인 결정 구조로, 원자가 입방체의 각 꼭짓점에 위치하는 배열을 가진다. 각 원자는 6개의 이웃 원자와 접촉한다.

 

Unit Cell 당 포함된 원자의 수는 1개이다.

 

2) BCC (Body-Centered Cubic, 체심 입방 구조)

입방체의 각 꼭짓점에 하나씩 원자가 위치하고, 입방체의 중심에도 하나의 원자가 위치한다. 각 원자는 8개의 이웃 원자와 접촉한다.

Unit Cell 당 포함된 원자의 수는 2개이다.

 

3) FCC (Facd-Centered Cubic, 면심 입방 구조)

입방체의 각 꼭짓점과 각 면의 중심에 원자가 배치되고 각 원자는 12개의 이웃 원자와 접촉한다.

Unit Cell 당 포함된 원자의 수는 4개이다.

 

예제1) 각 입방 구조에서 packing fraction 구하기

 

3. Miller Index

결정 구조에서 특정 평면의 방향 및 기울기를 나타내기 위해 사용되는 정수의 집합니다. 일반적으로 세 개의 정수 (h, k, l)로 표현된다.

 

- Miller Index 구하는 방법

• 축 교차점 찾기
• 역수 계산
• 정수로 변환
• (h, k, l)로 표기

 

- Crystal plane (결정 평면)

• (100): x축에 평행한 평면
• (110): x축과 y축에 평행한 평면
• (111): x, y, z축을 모두 가로지르는 평면

 

- Miller Index의 주요 특징

• 대괄호에 따른 의미 변화

(h, k ,l): 특정 평면을 나타낸다.

[h, k ,l]: 특정 방향을 나타낸다.

{h, k, l}: 동일한 군에 속하는 평면들의 집합

 

• 부호

음의 방향으로 갈 때는 

로 표시하고 예시는 아래와 같다.

음의 x축을 가로지르는 평면을 나타낸다.

 

 

4. Silicon Crystal Stucture

실리콘 결정 구조(Silicon Crystal Structure)는 다이아몬드 구조와 가지고 있다. 

 

* Diamond Struceture란? *

FCC 격자를 기반으로 하며, FCC 격자 내의 각 코너에서 1/4 거리와 3/4 거리 지점에 원자가 배치되어 구조를 형성한 것.

 

예제 2) 실리콘 결정 구조에서 결정 평면에 따른 원자 개수

(111) plane이 원자 개수가 2개인 이유

다이아몬드 구조에서 원자의 개수를 파악해보자

 

모서리 원자는 1/8 원자가 위치하며, 8개의 모서리가 있어 1개의 원자가 된다. 각 면 중앙에는 1/2 원자가 우치하고, 6개의 면이 있어 3개의 원자가 된다. 격자 내부에 위치한 원자는 4개이다. 각각 파랑, 빨강, 노랑으로 나타냈다.

 

다이아몬드 구조에서는 4개의 원자가 가장 가까이에 위치함을 볼 수 있다.

 

마지막으로 111 방향으로 1/4만큼 이동할 때, 밀집된 정육면체 내부에 4개의 원자가 남는다.

 

 

5. Bond Model of Electrons and Holes

실리콘은 다이아몬드 구조를 갖는 14족 원소로 각 실리콘 원자는 4개의 원자와 공유 결합을 형성한다. 

- 전자와 정공

실리콘 결정체에서 열에너지가 및 에너지를 받으면 공유 결합에서 전자가 튕겨져 나가 자유전자(electorn)가 된다. 또한 전자가 튕겨져 나간 자리에는 빈 공간인 정공(hole)이 생긴다. 

 

이 때, 전자가 떨어져 나가면 원자를 양전하를 띄게 되어 중성이 아니다. 이로 인해 정공이 생긴다. 반대로 전

- N형 반도체와 P형 반도체

• N형 반도체: 비소(As)와 같은 5족 원소가 실리콘에 도핑되어 전자가 추가로 제공된다. 이 전자는 '이동 가능한 전자'가 되어 전도성을 증가시킨다. 이러한 불순물은 '도너(donor)'라고 불린다.
• P형 반도체: 붕소(B)와 같은 3족 원소가 도핑되어 전자가 부족한 '홀'을 형성한다. 이 홀은 전자가 자리잡을 수 있는 공간으로 작용하며, 이러한 불순물은 '억셉터(acceptor)'라고 불린다

* N-타입과 P-타입 반도체가 전기적으로 중성인 이유*

모두 도핑을 통해 전도성을 증가시키지만 원자 수와 전자의 수가 균형을 이루기 때문에 전지적으로 중성을 유지한다.