Semiconductor   반도체

1. 반도체 (Semiconductor)

  ㅇ 금속에서, 자유전자의 손쉬운 이동으로, 열전달,전기전도도가 좋은 것과는 달리,

  ㅇ 반도체는,
     - 원자와 그에 속박된 전자와의 상호작용에 의해 형성되는 에너지밴드 갭에 의해,
     - 절연체나 전도체의 중간적 성질을 갖는 물질    ☞ 도체 부도체 반도체 비교 참조

  ㅇ 반도체의 구조는,
     - 각 원자가 4개의 원자에 의해 둘러싸여있고, 
     - 주위의 원자들이 4개의 최외각 전자를 공유하며,
     - 이들 원자들이 주기적으로 배열된 결정구조를 갖음     ☞ 다이아몬드 결정구조 참조


2. 반도체의 특징

  ㅇ 최외각전자에 의한 공유결합
     - 최외각 전자가 4개이며, 
          
     - 4개의 공유결합을 통해 결정을 이룸

  ㅇ 온도,조명(빛),자계,불순물 농도에 대한 민감성
     - 이러한 민감성이 특정 응용별로 좋은 장점을 갖음

  ㅇ 전기전도성의 인위적 정밀 조절 가능
     - 반도체 재료 선택, 제조 공정, 모양/형태, 외부 바이어스 등에 의해 조절 가능
        . 전기적 특성이, 주로, 불순물 캐리어농도에 의존함
           .. 즉, 주입 불순물의 종류 및 량에 의해, (전기전도) 전류 제어가 가능

     * 한편, 반도체,금속 간의 전기전도도 비교
        . 비록 반도체 내 전하 이동도가 금속 보다 크지만, 
        . 반도체의 캐리어 농도가 훨씬 작아, 금속에서의 전기전도도가 더 크게 됨
           .. 반도체 전기전도율은, 대략 10-8 ~ 104 [S/㎝]
           .. 금속 전기전도율은, 대략 104 ~ 이상 [S/㎝] 

  ㅇ 에너지 밴드 갭
     - 전도대 및 가전자대 사이에 금지된 에너지 밴드 갭이 있게됨
     * 에너지 밴드 갭은, 반도체의 핵심 특징임

  ㅇ 결정구조
     - 다이아몬드 결정구조

  ㅇ 반도체 결함
     - 불순물 원자 (의도적 주입,제조상 불가피한 혼입) 및 결정결함


3. 반도체의 분류 

  ㅇ 불순물 포함 여부에 따라
     - 진성 반도체 (intrinsic, 진성)
        . 불순물 원자나 결정 결함을 포함하지 않는 순수한 반도체
     - 불순물 반도체 (extrinsic, 외인성)
        . 불순물을 포함
        . 어느 한 종류의 반송자가 다른 종류에 비해 많음
        . 종류 : p형 반도체, n형 반도체, 보상 반도체

  ㅇ 반도체 원소 구성에 따라
     - 원소 반도체 (Element Semiconductor)
        . Si, Ge 등 (4족 원소)   ☞ Si Ge 비교 참조
     - 화합물 반도체 (Compound Semiconductor)
        . 이원계 (binary)
           .. 3족-5족 : GaAs (갈륨 비소), GaP (갈륨 인), GaSb, InP (인듐인), InAs, InSb, AlP,
                        AlAs 
           .. 2족-6족 : ZnSe, ZnTe (텔루르화 아연), CdS (황화 카드뮴), CdTe 등
           .. 4족-4족 : SiC (실리콘 카바이드) 
        . 삼원계 (ternary) : AlxGa1-xAs 등
        . 사원계 (quarternary) : AlxGa1-xAsySb1-y 등
     - 산화물 반도체 (Oxide Semiconductor)
        . 가스 센서, 디스플레이 등에 쓰임
           .. 산화물 반도체가 가스를 흡수하면 전기저항이 변하는 현상 등을 이용
           .. 例) SnO2, ZnO, Cu2O 등
        . 통상, 전자의 이동도가 크고, 정공의 이동도가 매우 작은, 공통된 특징이 있음

  ㅇ 반도체 내 전하캐리어의 생성,소멸 방식에 따라
     - 직접 천이형 반도체 : 例) GaAs, GaN 등과 같은 화합물 반도체
     - 간접 천이형 반도체 : 例) Si,Ge 등

  ㅇ 반도체 고체 형태에 따라                                                       ☞ 결정학 참조
     - 비결정성/비정질 (Amorphous) : 수 개 정도의 원자,분자 크기 내에서 만 질서 있음
     - 결정성/결정질 (Crystalline) 
        . 단결정체(Single Crystal) : 반도체 전체에 걸쳐 질서 있음             ☞ 단결정 성장 참조
        . 다결정체 (Poly Crystal)  : 꽤 많은 원자,분자 크기 내에서 만 질서 있음  ☞ 다결정 실리콘 
           .. 크기 및 방향이 다른 단결정체(결정립)가 불규칙적으로 모여 전체를 구성


4. 반도체의 제조 

  ※ ☞ 단결정 성장, 웨이퍼 참조
     - 고 순도 단결정 : 정확한 전기 전도 특성의 제어를 위해 순수한 단결정이어야 함

  ※ ☞ 반도체 집적공정 참조 
     - 순수 단결정으로부터 디바이스 제작에 이르는 공정 기술


5. 반도체의 전기전도성

  ㅇ 전기전도성의 원인 : 전하캐리어의 이동 현상
     - 반도체 내 전하캐리어의 종류 : 전자(전도대의 전자), 정공(가전자대의 홀, 구속전자)
     - 반도체 내 전하캐리어의 생성/소멸 ☞ 직접 재결합, 간접 재결합 등 참조
     - 반도체 내 전하캐리어 밀도 ☞ 캐리어 농도 참조
     - 반도체 내 전하캐리어의 이동 ☞ 전하 이동 (전류) 참조
        . 반도체 접합 점/면에서, 전자 또는 정공인 전하 운반체(전하 캐리어)의 이동 현상
           .. 확산 현상 (Diffusion) : 불순물 농도가 큰 쪽에서 낮은 쪽으로 이동
           .. 드리프트 현상 (Drift) : 외부 인가 전계에 의해 이동
     - 반도체 내 전하캐리어의 이동 용이성 ☞ 이동도, 전도도 참조


6. 반도체의 응용성

  ㅇ 전기전도 제어 (전류 제어, 증폭기, 전력변환기 등)
  ㅇ 광 발생 (발광 소자), 광 센서 (포토다이오드, 이미지센서 등)
  ㅇ 소형화 (집적공정) 등


7. 반도체의 응용 소자

  ㅇ 다이오드   ☞ 다이오드 응용 참조
  ㅇ 트랜지스터 (1947년 Bardeen,Bratten,Shockley 발명 : BJT, FET)
  ㅇ 집적회로 (1958년 Jack Kilby 발명)
  ㅇ 열전 소자 (열,전기 간의 관계를 이용 : 펠티에효과 등)
  ㅇ 저항 소자 (온도,전압,응력 등에 따라 변하는 저항 특성을 이용 : 서미스터,바리스터,압전소자 등)
  ㅇ 전력 스위칭 소자 (대 전류,고 내압,고 내열화,고 신뢰성 등을 필요 : 사이리스터 등)
  ㅇ 전광 소자 (LD, LED)