반도체

반도체의 이해에 대한 역사는 물질의 전기적 특성에 대한 실험과 함께 시작한다. 저항 음온도계수, 정류, 광민감도는 19세기 초를 기점으로 관찰되었다.

 

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.

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 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.

N형 도핑의 목적은 물질에 운반자 역할을 할 전자를 많이 만드는 것이다. 실리콘(Si)의 경우를 생각해보자. Si원자는 원자가 전자 4개를 가지고 있고, 각 원자는 주변의 Si원자 4개와 공유결합을 이루고 있다. 만약 이 Si 원자의 결정구조에 원자가 전자가 5개인 원자(주기율표의 15족에 있는 원자 : 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi))가 들어간다면, 그 추가된 원자는 공유결합 4개를 갖고, 결합하지 않은 전자를 하나 갖게 된다. 이 여분의 전자는 원자에 약하게 구속 돼 있어서 쉽게 전도띠로 올라갈 수 있다. 상온에서, 이런 전자는 사실상 전부 들떠서 전도띠로 올라가게 된다. 이런 전자가 들뜨는 것은 양공을 만들어내지 않기 때문에, N형 도핑을 한 물질에서는 전자가 양공보다 훨씬 많다. 이 경우 전자는 다수 운반자(majority carrier)이고, 양공은 소수 운반자가 된다. 전자를 5개 가진 원자는 여분의 전자를 "내놓기" 때문에, 이러한 원자를 donor 원자라고 한다. 반도체에서 이동 가능한 전자는 절대 불순물 이온에서 멀리 떨어지지 않는다.

P형 도핑을 하는 것은, 양공을 많이 만들기 위해서이다. 실리콘의 경우에, 결정 구조에 3가 원자(붕소(B), 알루미늄(Al), 인듐(In), 갈륨(Ga) 등)를 넣는다. 그렇게 하면, 보통 실리콘이 갖는 공유결합 4개 중에 전자가 하나 부족하게 된다. 그래서 이 도펀트는 4번째 결합을 완성하기 위해 주변 원자의 공유결합으로부터 전자를 하나 얻어올 수 있다. 이러한 도펀트를 acceptor라고 한다. 이 도펀트 원자가 전자를 하나 받으면, 주변의 원자가 가진 공유결합에서는 전자가 하나 부족해져서 "양공"이 생기게 된다. 각 양공은 주변의 음전하 도펀트 이온과 연결되어서, 반도체 전체로 보았을 때에는 중성을 유지한다. 하지만 양공이 격자구조를 돌아다니게 되면 양공 위치의 양성자가 "노출"돼서 더 이상 전자로 상쇄되지 않는다. 그래서 양공이 양전하 같은 성질을 띤다. 만약 acceptor 원자가 많이 추가되면, 양공이 열로 인해 들뜬 전자보다 훨씬 많아지게 된다. 그래서 P형 물질에서는 양공이 다수 운반자이고, 전자는 소수 운반자이다. 붕소(B) 불순물을 포함하고 있는 파란 다이아몬드(IIb 형)는 자연에 존재하는 P형 반도체의 예이다.

반도체에 도핑을 하면, 이 도핑 농도에 따라 다수 운반자의 농도가 고유 운반자 농도(고유 반도체에서의 운반자 농도)보다 증가하게 된다. 하지만 도핑된 반도체의 다수 운반자 농도와 소수 운반자 농도를 곱하면, 고유 운반자 농도의 제곱이 되는 것은 변하지 않는다. 예를 들어 어떤 온도에서 고유 운반자(전자와 양공) 농도가 10¹³/cm³라고 해 보자. 만약에 N형으로 도핑된 농도가 10¹⁶/cm³라면, 양공의 농도는 10¹⁰/cm³가 된다. 그렇다면, 다수 운반자의 농도는 사실상 도핑 농도에 따라 결정되기 때문에 소수 운반자의 농도도 도핑농도에 의해 영향을 받는다는 것을 쉽게 알 수 있다.

${\displaystyle n_{i}^{2}=n_{0}p_{0}}$ 

${\displaystyle n_{i}}$  = 고유 운반자 농도

${\displaystyle n_{0}}$  = 비고유반도체에서 전자의 농도

${\displaystyle p_{0}}$  = 비고유반도체에서 양공의 농도

반도체에 P형과 N형 도펀트를 인접하게 도핑하면 PN 접합을 만들 수 있다. P형으로 도핑된 부분에 +바이어스 전압을 걸어주면, P형 반도체의 다수 운반자(양공)가 접합면 쪽으로 밀려간다. 동시에 N형 반도체의 다수 운반자(전자)도 접합면 쪽으로 끌려간다. 그러면 접합면에는 운반자가 많아져서, 접합면이 도체 같은 성질을 띠게 되고, 접합면에 걸려있는 전압 때문에 전류가 흐른다. 양공 구름(양공이 구름처럼 몰려있는 것)과 전자구름이 만나면, 전자가 그 구멍(양공)으로 들어가서 움직이지 않는 공유결합을 이룬다. 만약 바이어스 전압이 반대로 걸리면, 양공과 전자는 접합면으로부터 서로 밀어낸다. 접합면에서는 새로운 전자/양공 쌍이 잘 생기지 않기 때문에, 접합면 주위에 있던 운반자는 모두 쓸려가버리면서, 접합면 주위에 운반자가 거의 없는 공핍영역이 된다.(전자는 +전압이 걸려있는 N영역 쪽으로, 양공은 -전압이 걸려있는 P영역 쪽으로 쓸려간다) 역방향 바이어스 전압은 접합면에 전류가 아주 조금만 흐르게 한다. P-N접합은 전류가 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 다이오드라는 소자의 원리이다. 비슷한 원리로, 세 번째 반도체 영역은 N형이나 P형으로 도핑해서 단자가 3개 있는 소자를 만들 수 있다. 이렇게 만들어낸 소자가 BJT(영어: bipolar junction transistor)이다. 이 BJT는 P-N-P로 만들 수도 있고, N-P-N으로 만들 수도 있다.

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 않아서 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.

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