Semiconductor(반도체)의 정의

Semiconductor(반도체)의 정의

 

물질은 전기의 흐름에 따라 Conductor (도체), Insulator (부도체), Semiconductor (반도체)로 나눌 수 있습니다.

Conductor에는 구리, 금과 같이 전기가 잘 통하는 물질들이 있고, Insulator에는 고무, 유리와 같은 전기가 잘 통하지 않는 물질들이 있습니다.

우리가 주로 다룰 Semiconductor는 기본적으로 Insulator이지만, 필요에 따라 전기 저항률을 조절할 수 있는 물질입니다.

Semiconductor의 저항률을 조정하려면 Semiconductor내의 전류 흐름을 조절해야 합니다.

이 전류의 흐름에 기여하는 요소로는 Electron (전자), Hole (정공)이 있습니다. (이 Electron과 Hole은 전기를 전달하는 알갱이의 의미로 Carrier라 부르기도 합니다)

Semiconductor는 단일 원소로 구성되는 (Si, Ge, Se) 것들과, 2종류 이상의 원소로 구성되는 (GaAs, InP) 것들과, 금속산화물로 된 (SnO2, ZnO, TiO2) 것들이 있습니다.

우리는 대부분의 제품에 적용되는 Si (실리콘) 반도체를 다룰것입니다.

Semiconductor 재료중에서 가장 많이 사용되는 실리콘에 대해서 알아보겠습니다.

실리콘은 지구상에 산소다음으로 많은 원소입니다.

주변에 흔히 볼 수 있는 모래나 돌에 섞여있으며, 공기 중에서는 산소와 결합된 형태로 (SiO2) 존재하므로 고온에 녹여 결정으로 정제하여 사용합니다.

실리콘은 주기율표에서 원자번호가 14번에 4족 원소로 최외각에 4개의 전자가 존재합니다.

이 4개의 최외각전자로 이웃한 실리콘 원자들과 서로 공유결합을 하며, 최외각 전자가 8개 (Octet rule)가 되면 안정된 상태가 됩니다.

Semiconductor는 불순물이 하나도 없는 순수한 반도체인 Intrinsic Semiconductor와, 불순물을 포함하는 반도체인 Extrinsic Semiconductor로 분류됩니다.

Intrinsic Semiconductor는 전기적성질을 결정하는 최외각 전자가 원자의 궤도에 묶여있으며 이를 Valence band에 있다고 합니다.

만약, 일정한 수준의 에너지를 받으면 최외각전자는 원자의 궤도에서 떨어져 나가 자유전자가 되어 전기전도에 기여하게 됩니다. (이 자유전자는 Conduction Band에 있다)

그리고, 원래 원자의 궤도내 전자가 떨어져나간 빈 자리는 hole이 남습니다.

에너지가 존재하지 않는 절대 온도 0K (섭씨로는 -273°C)에서는 모든 전자가 다 Valence Band에 묶여있어 움직이지 못하므로 실제로 전류의 흐름에 기여하지 못합니다.

하지만 온도가 여기서 더 올라가면 Valence Band에 있던 electron가 E를 받아 떨어져나가 Conduction Band의 electron이자 Valence Band의 hole이 됩니다.

0K 보다 높은 온도에선 일정한 숫자의 electron이 떨어져 나오며 그 양은 일반적으로 농도 [개/cm³] = [cm³]로 표시합니다.

이는 Intrinsic Carrier Concentration라 하고 ni로 표기합니다.

떨어져나온 electron의 수만큼 빈자리인 hole이 발생하므로 Conduction band의 electron의 농도 n과 Valence band의 hole 농도 p는 서로 같은 값을 갖습니다.

n = p = ni

상온 (27°C, 300K)에서 실리콘의 ni는 1.5 x 10^10 [cm−³]입니다.

매우 큰 숫자로 보이시겠지만, 1cm³는 반도체 세계에선 무한히 큰 부피이므로 농도 관점에서는 거의 없는것이나 마찬가집니다.

따라서 순수한 실리콘 Semiconductor는 상온에서 Insulator에 가깝습니다. (전류가 흐르지 않음)

하지만, Intrinsic Semiconductor는 저항이 매우 크고, 저항을 낮춰주기 위해 외부에서 걸어주는 전압이나 가해주는 열이 매우 많이 필요하다는 단점이 있습니다.

그래서 Extrinsic Semiconductor로 그 단점을 극복합니다.

Extrinsic Semiconductor는 사실상 Insulator에 가까우므로 Semiconductor에 전류가 흐르게 할려면 doping을 통해 불순물을 주입해줘야 합니다.

불순물 주입이란 Semiconductor 내에 전하를 만드는 방법으로서 Valence band의 electron나 Conduction band의 hole을 외부에서 강제로 넣어주는것입니다.

하지만 본래 반도체는 먼지와 같은 불순물에 아주 민감하기 때문에 반도체 공정 과정은 보통 "클린룸"이라고 부르는 먼지가 극도로 통제된 공간에서 만들어집니다.

doping을 한다는 의미는, 우리가 통제 할 수 없는 불순물들이 아니라 극도로 통제된 환경에서 Semiconductor의 물성등을 변화시키기 위하여 일부러 소량의 불순물을 넣는 것입니다.

너무 많이 넣으면 오히려 물성을 망치게 되므로 원하는 만큼만 넣습니다.

지금부터 doping을 통해 Extrinsic Semiconductor를 만들고 저항률을 조절할 수 있는 원리를 알아봅시다.

먼저 Semiconductor 내에 ( - ) 전하인 전자를 생성하는 방법에 대해 짚고 넘어갑시다.

Valence band의 전자를 넣어준다는 것은 최외각 전자 갯수가 5개인 원소 P (인) 또는 As (비소)같은 5족원소를 불순물로 주입하는 것입니다.

예를들어, 다음 그림과 같이 As를 주입하면 실리콘 원자와 공유결합하고 남는 전자 팔은 결합력이 약해서 상온에서 거의 떨어져 나와 Conduction band의 전자가 됩니다.

원래 As, P 원자는 최외각에 5개의 전자가 존재해야 중성인데, 실리콘과 공유결합을 하느라 전자 하나가 모자라서 양이온이 됩니다.

이렇게 실리콘 내에 불순물을 주입하면 ( - ) 전하인 자유전자를 생성하게 되는데, 이 때의 Semiconductor를 'negative'의 철자를 따 n-type semiconductor라 합니다.

이 때 떨어져나간 자유전자와 남아있는 양이온의 양은 같습니다.

1cm³에 Nd (N은 이온의 농도를 말하며 d는 Donor의 앞글자로 자유전자를 제공했다는 의미임) 개만큼 doping하면,

이온화로 떨어져나간 자유전자의 농도는 n = Nd [cm−³]이며

남아있는 양이온의 농도도 Nd [cm−³]입니다.

다음으로는 Semiconductor 내에 ( + ) 전하인 홀을 생성하는 방법에 대해 다뤄보겠습니다.

Valence band의 홀을 넣어준다는 것은 최외각 전자 갯수가 3개인 원소 B (붕소) 또는 In (인듐)같은 3족원소를 불순물로 넣어주는 것입니다.

예를 들어, In을 불순물로 주입하면 공유결합의 전자팔 하나가 빈 공간이 됩니다.

즉, Valence band에 홀이 발생한다는 말입니다.

원래 In이나 B 원소는 최외각에 3개의 전자가 존재해야 중성인데, 실리콘과 공유결합을 하느라 전자가 한 개 더 들어갈 수 있는 자리가 생겨 전자가 채워지면 음이온이 됩니다.

이렇게 실리콘내에 불순물을 주입하면 ( + ) 전하인 홀을 생성하게 되는데, 이 때의 Semiconductor를 'positive'의 철자를 따서 p-type semiconductor 라고 합니다.

상온에서는 주변 Valence band의 전자가 이 빈 공간을 채워서 완전 이온화가 되며, 옮겨온 Valence band의 전자가 있던 원래 자리에는 Valence band의 홀이 발생합니다.

이 때 발생하는 Valence band의 홀과 남아있는 음이온의 양은 같습니다.

1cm³에 Na (N은 이온의 농도를 말하며 a는 Acceptor의 앞글자로 전자를 받았다는 의미임) 개만큼 doping하면,

이온화로 발생하는 홀의 농도는 p = Na [cm−³]이며

남아있는 양이온의 농도도 Na [cm−³]입니다.

불순물이 주입된 Semiconductor에서 전기를 띤 전하는 양이온, 음이온, 전자, 홀입니다.

완전이온화를 가정한다면 불순물의 농도는 Na → Na− + p 이고 Nd → Nd+ + n 입니다.

여기서 ( - ) 전하는 n과 Na- 이고, ( + ) 전하는 p와 Nd+ 입니다.

전기적으로 중성인 Semiconductor에서 전기를 띤 알갱이들의 전기적인 합은 0이어야 하므로 다음의 식이 성립합니다.

n + Na− = p + Nd+

주입된 불순물 종류와 농도에 따라서 전자와 홀중 많은 것을 Majority Carrier라 하고, 적은 것을 Minority Carrier라고 합니다.

즉, p-type semiconductor는 홀이 Majority carrier이고 전자가 Minority carrier이고, n-type semiconductor는 전자가 Majority carrier이고 홀이 Minority carrier입니다.

이온들은 실리콘 원자와 결합되어 묶여있으므로 전류에 전혀 기여하지 못하고, 오로지 전자와 홀만이 전류에 기여한다는 사실을 기억합시다.

이번에는 Thermal equilibrium (열평형) 상태에 대해 알아봅시다.

Thermal equilibrium이란 특정온도에서 오랜시간이 경과해서 안정된 상태로 갔을 때를 말합니다.

만약 온도가 바뀌면 다시 한참을 기다려야 새로운 Thermal equilibrium으로 도달합니다.

여기서 가장 중요한 식은 n⋅p = ni2 입니다.

이 식은 Thermal equilibrium 상태에서 존재하는 전자와 홀의 곱이 Intrinsic semiconductor에서의 농도의 제곱과 일치함을 말해줍니다.

그리고, 이 식은 Extrinsic semiconductor에도 성립합니다.

만약, Intrinsic semiconductor에 n-type 불순물을 주입하여 양이온과 전자의 수가 많아지면, 이는 Valence band의 홀 갯수가 줄어듦을 의미합니다.

예를 들어, n = 1010, p = 1010 라고 할 때 n⋅p = ni2 = 1020인 Intrinsic semiconductor에 n = 1016인 불순물을 주입하여 전자가 Majority carrier인 n-type semiconductor가 되었다고 가정해봅시다.

위의 식에 의해 Minority carrier인 p = 104이 되어야

n⋅p = ni2 = 1020를 만족할 수 있습니다.

그렇다면, 이 많던 홀들은 어디로 사라진 것일까요?

이는 주입된 불순물 농도 n = 1016 중 1010 - 104의 갯수만큼 전자와 홀이 재결합으로 소멸 된 것입니다.

여기서 재결합으로 소멸된 전자의 수 (1016 - 1010)는 거의 변함 없지만, 홀 갯수의 변화 (1010 -> 104)는 매우 큽니다.

이처럼 Intrinsic semiconductor에 불순물을 주입하여 n-type 혹은 p-type 반도체를 만들 수 있으며, 이는 반도체 공정에서 흔히 사용하는 방법입니다.

일반적으로 Majority carrier의 농도는 주입한 불순물의 농도와 거의 일치합니다.