반도체의 이해(원자구조, 에너지밴드, 물성)

1. 전류 전도에 따른 세상의 물질 구분

- 절연체(insulator) : 전류가 안흐름

- 도체(conductor) : 전류가 잘 흐름

- 반도체(semiconductor) : 도체와 절연체 중간의 성질

 

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2. 반도체 물질구성

단일원소 구성

4족 : Si, Ge, C

화합물 구성(= 화합물 반도체)

3-5족 : GaAs, InP

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3. 원자구조를 통한 반도체 이해

3.1 가전자

원자 핵 주변을 전자가 돈다.

이때, 가장 바깥 궤도(orbit)의 전자를 가전자(valence electron)이라 한다

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※ 최외각이랑 가전자, 나도 구분을 잘 못하겠다.(나중에 수정하겠음)

최외각전자 : 껍질 가장 바깥에 있는 전자

원자가전자/가전자/ 자유전자/전도전자 : 바닥상태에서 반응에 참여할 수 있는 전자.

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최외각전자는 물질의 특성이고(몇개보유하는지)

가전자는 반응의 시점에서 참여할 수 있는 전자이다

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3.2 공유결합

3.2.1 옥텟(octat)룰에 따르면, 최외각전자 8개가 가장 안정적인 형태이다.

3.2.2 모자란 전자를 다른 원자와 공유하여 8개를 만든다.(안정됨)

= 공유결합

3.2.3 에너지를 받으면 위의 공유결합이 파괴되고 전자가 자유롭게 돌아 다니게 된다. = 자유전자 = 전도전자

3.2.4 공유결합이 끊어진다 = 전자가 생성된다. = 전자의 빈자리도 남음

전자의 빈자리를 정공(hole)이라고 명명한다.

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즉, 원인 : 공유결합 파괴

생성 : 전자 & 빈자리(정공,hole)

둘은 공유결합 파괴로 동시에 생겨난다. 그래서 전자-정공 쌍이라고 한다.

영어로 electron - hole pair라고 함.

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--------------------- 안봐도 상관없는 부분 --------------------------------------

1.Si는 가전자들이 공유결합을 하고 있다.

2. 공유결합이 파괴되면, 가전자가 이탈된다.

3. 위의 전자를 자유전자/전도전자라고 한다.

4. 공유결합에서 전자가 나간 자리를 정공(正孔, 바른 구멍, hole)이라고 한다.

5. 전자가 나가면 필연적으로 정공이 생긴다. 따라서 전자나 정공 한가지를 기준으로 판단하면 되겠다.

전류의방향, 전자의 방향 따지는 것과 똑같다.

--------------------- 안봐도 상관없는 부분 --------------------------------------

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4. 에너지 밴드를 통한 반도체 현상 이해

에너지대역(=에너지밴드)로 이 현상을 분석해 보자.

전자가 움직이는 대역은 3가지다

가전자대역(valence band) -> 금지대역(forbidden band) -> 전도대역(conduction band)

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가전자가 전도대역으로 이동하면, 자유전자가 발생하는 것이다.

이동을 위해선 금지대역을 넘어야 하고,

금지대역의 폭을 밴드갭(band gap)

그 에너지를 bandgap 에너지라고한다.

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밴드갭만큼 에너지를 새로 얻으면, 전도대역으로 넘어가 전자가 활동할 수 있게된다. 같은말로, 정공이 생겨나는 것이다.

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5. 반도체를 물성으로 구분하자

5.1 진성반도체(intrinsic semiconductor) : 순수한 반도체이다.

intrinsic 즉, 1종류 원자로만 만든 반도체. 4(Si, Ge, C)가로만 만듦.

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5.2 불순물반도체(extrinsic semiconductor) : 진성반도체에 불순물(dopant)을 첨가하여 만든 것이다

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dopant를 첨가하는 것을 doping이라 한다.

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3가를 첨가하면, 전자가 줄어드니까(정공이 생기니까) P형

[즉, 공유결합에 참여할 전자수가 부족해짐]

5가를 첨가하면, 전자가 생겨나니까(정공이 줄어드니까) n형이다.

- 전자를 주기때문에 doner불순물이라 한다.

[즉, 공유결합에 참여하고, 전자들이 남음]

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출처 : KOCW. 전자회로. 영남대학교. 김성원

http://contents.kocw.or.kr/contents4/html/2013/Yeungnam/KimSungwon/2-2/default.htm