반도체 물질 특성

1. 밴드갭
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밴드갭이라는 개념을 위해 우선 전자가 궤도준위를 어떻게 변화시킬 수 있는지에 대해 살펴보아야 한다.
원자를 따라 궤도를 돌고 있는 전자들은 핵을 향한 인력에 의해 핵주위 공간에 분배된다. 이때 개별전자들은 각각의 궤도에서 자신의 위치를 갖게 된다. 이때 각각의 전자들 에너지준위는 같지않다. 원자에서는 최외각 전자의 운동궤도를 Valence shell이라 한다.(가전자각)

물질은 최외각 껍질에 8개의 전자를 채웠을때 가장 안정한 상태가 되고 이때문에 전자를 하나 더 받거나 덜어내거나 하게된다. 무수히 많은 전자들이 모이게 되면 최외각 전자들의 파동함수부터 겹침이 발생한다. 이로인해 슈뢰딩거 파동방정식의 퍼텐셜이 변화하게 되고 에너지가 변화된다. 파울리 배타법칙에 의해 에너지 준위는 splitting 되며 이로인해 운동 궤도가 운동밴드처럼 된다. Valence shell이 모여 만들어진 준위띠를 Valence band, Conduction 준위가 만들어져 생긴 띠를 Conduction Band 라 하며 이 두사이의 갭을 밴드갭이라고 한다.


(출처 : http://www.hanbit.co.kr/preview/4003/sample.pdf)
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이 밴드갭은 금지된 에너지 준위다. 즉 전자가 이동하기 위해선 Valence Band에서 Conduction Band까지 뛰어오를 수 있는 에너지가 주어져야 하며 이로인해 도체, 부도체가 나뉘게 된다.

도체는 Valence Band와 Conduction Band가 겹치며 이로인해 전자가 이동하기 위해선 아주 작은 에너지만을 필요로 한다. 어떤 물질의 밴드갭은 높아서 가전자의 이동을 제한하게되며 이는 절연체이다. 반면 반도체는 밴드갭 에너지 준위가 도체와 절연체의 사이에 위치하는데 이는 반도체의 주요특성이다. 참고로 순수 실리콘에서 밴드갭은 1.1eV 정도이다.


2. 커패시턴스
트랜지스터 1개당 커패시터 1개, 산화물 반도체(2족금소+산소)가 사용되는 이유?
-> 투명전극 재료로 각광. 속도가 빠름, 투명함, 저온에서 증착가능하여 유기소재 사용가능, 즉 flexible의 가능성까지 가지고 있다. (ZrO, HfO, InGaZnO)


3. 반도체
자연에서 순수한 상태로 발견되지 않고 불순물을 제거하여 순수한 상태로 만들어야 반도체 제작에 쓰인다. 규산염에서 발견됨, 주기율표에서 절연체와 도체의 중간에 위치하기 때문에 반도체로 분류된다. 반도체 물질에서 가장 중요한것은 실리콘이다. 모든 칩의 85% 이상이 기판으로 사용된다..

1) 진성 실리콘
불순물이 없는 실리콘, 공유결합을 통해 전자들을 공유, 진성 실리콘은 절연체로 동작.

왜 실리콘인가?
- 지구에서 두번째로 풍부한 원소, 지구지각의 약 25%를 구성한다.
- 다른 4가 원소인 게르마늄에 비해 -녹는 점이 높아 제조과정이 용이
- 작동 온도범위가 높아 반도체의 응용성과 신뢰도를 증가
- 산화물이 자연적으로 성장되는 능력, 산화물(SiO2)는 외부 오염으로부터 내부 순수 실리콘을 보호하는 장벽역할도 한다. 또한 절연역할로 인접도체사이의 누설도 막아주기때문에 중요한 역할.

2) 외인성 실리콘
도핑공정을 통해 적은양의 불순물 원소를 첨가하면 전도성을 훨씬 강화시킬 수 있다.
3가(Boron - P타입) : 정공의 개수가 증가,
5가(Phosphorous - N타입) : 전자의 개수가 증가
순전하는 하지만 0이다.
일반적으로 정공의 이동속도 전자보다 느리기 때문에 N형 도핑의 저항이 조금 더 낮다.

대체 반도체 물질
Ge, GaAs(엄청난 전자이동도, 광전자소자, 디지털통신등에 쓰임, 그러나 비싸다, GaN, SiGe...
GaAs - 자연산화물이 부족하다. 이는 MOS 개발을 저해하는 요소이다. 또한 제조가격에 실리콘에 비해 10배 비싸며 As독성도 고려해야한다.