반도체란?

 

반도체 재료는 금속 구리와 같은 전도체와 유리와 같은 절연체 사이의 전기 전도도 값을 갖는다. 온도가 상승하면 저항률이 떨어집니다. 금속은 반대로 행동합니다. 전도성 특성은 결정 구조에 불순물(\"도핑\")을 도입함으로써 유용한 방식으로 변경될 수 있습니다. 동일한 결정에 2개의 서로 다른 도핑 영역이 존재하면 반도체 접합이 생성됩니다. 이러한 접합부에서 전자, 이온 및 전자 정공을 포함하는 전하 캐리어의 거동은 다이오드, 트랜지스터 및 대부분의 최신 전자 장치의 기초입니다. 반도체의 몇 가지 예는 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소 및 주기율표에서 소위 \"준금속 계단\" 근처의 원소입니다. 갈륨 비소는 실리콘 다음으로 많이 사용되는 반도체이며 레이저 다이오드, 태양 전지, 마이크로파 주파수 집적 회로 등에 사용됩니다. 실리콘은 대부분의 전자 회로를 제조하는 데 중요한 요소입니다.

 

반도체 소자는 전류가 한 방향으로 더 쉽게 흐르고 저항이 가변적이며 빛이나 열에 민감하다는 등 다양한 유용한 특성을 나타낼 수 있습니다. 반도체 재료의 전기적 특성은 도핑과 전기장 또는 빛의 적용에 의해 수정될 수 있기 때문에 반도체로 만든 장치는 증폭, 스위칭 및 에너지 변환에 사용할 수 있습니다.

 

 

많은 수의 원소와 화합물은 다음을 포함하여 반도체 특성을 가지고 있습니다.

 

 

 

• l 특정 순수 원소는 주기율표의 14족에 있습니다. 이러한 원소 중 가장 상업적으로 중요한 것은 실리콘과 게르마늄입니다. 실리콘과 게르마늄은 가장 바깥쪽 껍질에 4개의 원자가 전자가 있어 동시에 전자를 동등하게 얻거나 잃을 수 있기 때문에 여기에서 효과적으로 사용됩니다.

 

• l 특히 갈륨 비소와 같은 13족과 15족 원소 사이, 12족과 16족, 14족과 16족, 그리고 다른 14족 원소 사이의 이원 화합물. 탄화규소.

 

• l 특정 삼원 화합물, 산화물 및 합금.

 

• l 유기 화합물로 만들어진 유기 반도체.

 

• l 반도체 금속-유기 프레임워크.

 

 

 

반도체 재료

 

고체 상태 재료는 일반적으로 절연체, 반도체 및 도체의 세 가지 클래스로 분류됩니다. (저온에서 일부 전도체, 반도체 및 절연체는 초전도체가 될 수 있습니다.) 이 그림은 세 가지 등급 각각의 일부 중요한 재료와 관련된 전도도 σ(및 해당 저항률 ρ = 1/σ)를 보여줍니다. 용융 석영 및 유리와 같은 절연체는 센티미터당 10-18 ~ 10-10 지멘스 정도의 매우 낮은 전도도를 가지고 있습니다. 알루미늄과 같은 전도체는 일반적으로 센티미터당 104~106 지멘스의 높은 전도도를 가지고 있습니다. 반도체의 전도도는 이러한 극단 사이에 있으며 일반적으로 온도, 조명, 자기장 및 미량의 불순물 원자에 민감합니다. 예를 들어, 100만 개의 실리콘 원자당 약 10개의 붕소(도펀트라고 함) 원자를 추가하면 전기 전도도가 천 배 증가할 수 있습니다(앞의 그림에 표시된 넓은 변동성을 부분적으로 설명함).

 

반도체 재료에 대한 연구는 19세기 초에 시작되었습니다. 원소 반도체는 주기율표 IV열에 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 6열에 셀레늄(Se), 텔루르(Te)와 같은 단일 원자 종의 원자로 구성된 반도체입니다. 그러나 2개 이상의 원소로 구성된 화합물 반도체가 많이 있습니다. 예를 들어 갈륨 비소(GaAs)는 III-V열의 갈륨(Ga)과 V열의 비소(As)가 결합된 2성분계 화합물입니다. 예를 들어, 수은 인듐 텔루라이드(HgIn2Te4), II-III-VI 화합물. 그들은 또한 3원 III-V 화합물인 알루미늄 갈륨 비소(AlxGa1 - xAs)와 같은 두 열의 원소에 의해 형성될 수 있습니다. 여기서 Al과 Ga는 모두 III 열에서 유래하고 아래 첨자 x는 100% Al(x = 1)에서 100% Ga(x = 0)까지의 두 가지 요소. 순수 실리콘은 집적 회로 응용 분야에서 가장 중요한 재료이며 III-V 이원 및 삼원 화합물은 발광에 가장 중요합니다.

 

 

 

 

반도체 작동 방식

 

 

오늘날 대부분의 반도체 칩과 트랜지스터는 실리콘으로 만들어집니다. \"실리콘 밸리\" 및 \"실리콘 경제\"와 같은 표현을 들어보셨을 것입니다. 그래서 실리콘은 모든 전자 장치의 핵심입니다.

다이오드는 가능한 가장 간단한 반도체 장치이므로 반도체가 어떻게 작동하는지 이해하려는 경우 훌륭한 시작점입니다. 이 기사에서는 반도체가 무엇인지, 도핑이 어떻게 작동하는지, 반도체를 사용하여 다이오드를 만드는 방법을 배우게 됩니다. 그러나 먼저 실리콘을 자세히 살펴보겠습니다.

규소는 매우 흔한 원소입니다. 예를 들어 모래와 석영의 주요 원소입니다. 주기율표에서 \"실리콘\"을 보면 알루미늄 옆, 탄소 아래, 게르마늄 위에 있음을 알 수 있습니다.

탄소, 규소 및 게르마늄(게르마늄은 규소와 마찬가지로 반도체이기도 함)은 전자 구조에서 고유한 특성을 가지고 있습니다. 각각의 외부 궤도에는 4개의 전자가 있습니다. 이것은 그들이 좋은 결정을 형성하도록 합니다. 4개의 전자는 4개의 인접한 원자와 완벽한 공유 결합을 형성하여 격자를 만듭니다. 탄소에서 우리는 결정 형태를 다이아몬드로 알고 있습니다. 실리콘에서 결정 형태는 은빛의 금속처럼 보이는 물질입니다.

실리콘 격자에서 모든 실리콘 원자는 4개의 이웃에 완벽하게 결합하여 전류를 전도할 자유 전자를 남기지 않습니다. 이것은 실리콘 결정을 도체가 아닌 절연체로 만듭니다.

금속은 일반적으로 원자 사이를 쉽게 이동할 수 있는 \"자유 전자\"를 가지고 있고 전기는 전자의 흐름을 포함하기 때문에 전기의 좋은 전도체인 경향이 있습니다. 실리콘 결정은 금속처럼 보이지만 실제로는 금속이 아닙니다. 실리콘 결정의 모든 외부 전자는 완전한 공유 결합에 관여하므로 이동할 수 없습니다. 순수한 실리콘 결정은 거의 절연체에 가깝습니다. 거의 전기가 흐르지 않습니다.

하지만 도핑이라는 과정을 통해 이 모든 것을 바꿀 수 있습니다.