Si   Silicon   실리콘, 규소

(2022-06-01)

실리콘 화합물, 규소 화합물


1. 규소 (Silicon, Si)탄소(C)가 생물학계의 기본인 것 처럼, 규소(Si)는 지질학계의 기본 임
     - 규소가 산소와 결합(SiO₂)하여, 바위,모래,흙 등의 구성성분인 규산염을 형성

  ㅇ 집적회로 등에 사용되는 대표적인 반도체 재료 화학원소 임      ☞ 반도체 (Semiconductor) 참조


2. 실리콘의 특징지구 지각(地殼)에 존재하는 원소 비율로는 27% 이르러, 산소 다음으로 많이 존재
     - 자연상태 하에서는 안정된 구조의 `자연 산화물`인 `이산화규소(SiO₂)의 형태`를 취함
       . 지구 광물로는 규산염 광물에서 찾아볼 수 있음        ☞ 규산염 광물 (Silica Mineral) 참조

  ㅇ 다이아몬드 결정구조를 갖음                                         ☞ 다이아몬드 입방정 참조
     - 작은 다이아몬드형 사면체들이 모여서 큰 입방체(cubic)가 만들어지는 등

  ㅇ 융점(Melting Point) 높음  
     - 같은 반도체 재료로써 Ge 보다 Si 더 높음
        . (융점 : Ge 938.25 ℃ < Si 1,414 ℃)
     - 금속들인 알루미늄(Al),금(Au),은(Ag) 보다 융점이 더 높아서,
        . 패키징 때 유용함                                                  ☞ 반도체 패키징 참조

  ㅇ 에너지 밴드 갭이 큼                                                   ☞ 에너지 밴드 갭 참조 
     - 에너지 밴드 갭이 커서 비교적 고온에서도 동작 가능 (온도에 따른 특성 변화가 적음)
        . (Si 1.12 eV > Ge 0.66 eV)

  ㅇ 전기적 절연성이 뛰어남    (비저항 Si 230,000 Ω㎝ > Ge 47 Ω㎝)
     - 전도 전류에 기여할 수 있는 전자 반송자 농도Ge 보다 적음      ☞ 반도체 캐리어 농도 참조

     - 실온 상태에서는 자유전자가 거의 없어 절연체적 성질을 갖으나,
        . 주입되는 불순물 형태,농도에 따라 전기 전도도의 조절 가능        ☞ 불순물 반도체 참조

  ㅇ Si-SiO₂간의 계면 특성이 좋음                                        ☞ 실리콘 산화막 참조
     - 쉽게 안정된 산화막 형성이 가능하여, 전체적으로 평면 특성이 우수
        . 리소그라피(Lithography), 식각(Etching) 등의 평면 공정에 유리    ☞ 반도체 집적공정 참조

  ㅇ 쉽게 단결정화가 가능                                                 ☞ 단결정 성장 참조
     - 단결정화된 기판에서 => 웨이퍼 생산

  ㅇ 순도에 따라 여러 응용이 가능                                         ☞ 실리콘 순도 참조
     - 집적회로에 사용시 초고순도 (11 Nine : 99.999999999% 이상)를 요구함

  ㅇ 독성이 거의 없어, 환경적으로 우수함


3. 실리콘의 화학적 특징원자번호   : 14번
  ㅇ          : 4족
  ㅇ 주기       : 3주기
  ㅇ 원자량     : 28.08
  ㅇ 원자가전자 : 4개 또는 4가 (이들 4개 전자공유결합에 참여)
  ㅇ 전자배위   : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
     - 14개의 전자들 중 K각에 2개, L각에 8개, M각(최외각)에 4개가 궤도 운동을 함
  ㅇ 밀도       
     - 질량 밀도 : 2.33 g/㎤
     - 원자 밀도 : 5 x 1022 atoms/㎤ 
        . 2.33 g/㎤ x (1/28.08) mole/g x (6.023 x 1023) atoms/mole ≒ 5 x 1022 atoms/㎤
        . [참고] ☞ 실리콘 원자 밀도 참조


4. 실리콘의 결정 구조다이아몬드 결정구조 참조 

  ㅇ 작은 단위 셀 : 작은 사면 입방체 (Small Tetrahedral Cubic)
     - 매 실리콘 원자 마다, 인접한 4개 원자들과 최외각 전자를 하나씩 공유하며, 공유결합을 이룸
        . 각 원자는 주위의 원자들과 4쌍 8개의 전자를 공유 (팔전자 규칙)

  ㅇ 큰 단위 셀 : 큰 사면 입방체 (Large Tetrahedral Cubic) 
     - 작은 정 사면체가 모여, 규칙적인 결정 구조를 갖는 큰 입방체(정육면체)의 FCC(면심입방)
     - 셀 당 유효 원자 수 : 8개 
        . 8개 모서리 (1/8) x 8 + 6개 면 (1/2) x 6 + 4개 내부 원자 (1) x 4 = 8개


5. 실리콘의 구분비정질 실리콘 (Amorphous Silicon : a-Si)
     - TFT-LCD 등

  ㅇ 다결정 실리콘 (Poly Crystalline Silicon)
     - MOSFET 게이트 전극, 태양전지 등

  ㅇ 단결정 실리콘 (Single Crystalline Silicon)                               ☞ 단결정 성장 참조
     - 고성능 트랜지스터(집적회로) 등

  ※ 시장에서는, 비정질,다결정,단결정 고체 형태 모두를 응용에 맞춰 사용하고 있음


6. 실리콘 화합물 (규소 화합물)

  ㅇ 규화물 (Silicide, 실리사이드)
     - 금속과 규소 간의 화합물을 말함
        . 열적으로 안정한 금속 화합물 임
        . 내열성금속과 규소의 계면 상에서 낮은 전기저항을 갖음

     - 例) 코발트/실리콘 (CoSi2), 몰리브덴/실리콘 (MoSi2), 
           플래티늄/실리콘 (PtSi2), 탄탈륨/실리콘 (TaSi2),
           티타늄/실리콘 (TiSi2), 텅스텐/실리콘 (WSi2)

  ㅇ 규소 산화물 (실리카, SiO₂) 등

반도체 재료
   1. 실리콘 (Si)   2. 실리카 (SiO₂)   3. 다결정 실리콘 (Poly-Si)   4. 게르마늄 (Ge)   5. 화합물 반도체   6. 갈륨비소 (GaAs)   7. 탄화규소 (SiC)  
화학원소 종별
   1. 수소 (H)   2. 헬륨 (He)   3. 리튬 (Li)   4. 탄소 (C)   5. 질소 (N)   6. 산소 (O)   7. 나트륨 (Na)   8. 마그네슘 (Mg)   9. 알루미늄 (Al)   10. 규소 (Si)   11. 인 (P)   12. 황 (S)   13. 칼슘 (Ca)   14. 철 (Fe)   15. 니켈 (Ni)   16. 구리 (Cu)   17. 세슘 (Cs)   18. 텅스텐 (W)   19. 할로젠(Halogen) 류   20. 기타 화학원소들  


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