반도체 – Semiconductor

반도체(半導體)열 등의 에너지를 통해 전도성을 급격하게 변화시킬 수 있는 고체물질이다.
일반적으로 많이 사용되는 것은 실리콘(4족 원소)의 결정에 불순물을 넣어서 만든다.
반도체를 이용해 집적회로를 만들어 증폭장치, 계산장치 등에 이용한다.


반도체매우 낮은 온도에서는 부도체처럼 동작하고, 실온에서는 상당한 전도성을 지닌다.
물론 도체와는 차이가 있다. 절대 0도에서 차 있는 가장 윗부분의 전자 에너지 밴드가,
반도체의 경우에는 가득 차 있고, 도체의 경우에는 일부만 차 있다.
이에 반해 반도체와 부도체의 차이점은 임의적이다. 반도체는 에너지 띠간격(bandgap)이
충분히 작기 때문에, 실온에서 전자가 쉽게 전도띠(conduction band)로 올라갈 수 있다.
그에 반해, 부도체는 띠간격이 커서 전자가 전도띠로 잘 올라가지 못한다.


반도체의 띠구조

고체물리학에서, 반도체란 ‘절대 0도에서 가장 위의 가전자대(valence band, 원자가띠;
차 있는 전자 에너지 상태의 가장 위의 에너지 띠)가 완전히 차 있는 고체’
로 정의된다.
다르게 말하자면, 전자의 페르미 에너지가 금지된 띠(forbidden bandgap)
있는 것을 말한다
. (절대 0도에서 전자 상태가 어느 수준까지만 차 있게 되는데,
이를 페르미 에너지, 혹은 페르미 준위라고 한다)

실온에서는 전자 분포가 조금 흐트러지는 현상이 발생
한다.
물론 조금이긴 하지만, 무시할 수 없는 만큼의 전자가 에너지 띠간격을 넘어서 전도띠로 간다.
전도띠로 갈만큼 충분한 에너지를 가지고 있는 전자는 이웃하고 있는 원자와의
공유결합을 끊고, 자유롭게 이동할 수 있는 상태가 돼서 전하를 전도시킨다.
이렇게 전자가 뛰쳐나온 공유결합은 전자가 부족해지게 된다.
(또는 자유롭게 이동할 수 있는 구멍(양공)이 생겼다고도 볼 수 있다.
구멍은 사실 그 자체가 움직이는 것은 아니지만, 주변의 전자가 움직여서 그 구멍을 메우면 구멍이
그 전자가 있던 자리로 옮겨간 것처럼 보인다. 이런 식으로 구멍이 이동하는 것처럼 보인다.)

도체와 반도체의 중요한 차이점
은,
반도체에서는 전류가 흐르는 경우 전자와 양공이 모두 이동한다는 것이다.
이와 달리 금속은 페르미 준위가 전도띠 안에 있기 때문에 그 전도띠는 일부만 전자로 채워진다.
이 경우에는 전자가 다른 비어있는 상태로 이동하기 위해 필요한 에너지가 적고, 그래서 전류가 잘 흐른다.
반도체의 전자가 가전자대에서 전도띠로 얼마나 쉽게 이동하는지는
그 띠 사이의 띠간격에 달려있다.
그리고 이 에너지 띠간격의 크기가 반도체와 부도체를 나누는 기준이 된다.
보통 띠간격 에너지가 3 eV이하인 물질은 반도체로 간주하고, 이보다 큰 경우에는 부도체로 간주한다.
물질에서 전류를 흐르게 하는 전자는 보통 그냥 “전자”라고 하지만, 정식 명칭은 “자유전자“이다.
가전자대의 양공(전자가 떠난 자리에 남는 구멍)은 마치 전자에 대응되는 양전하 입자(positively-
charged particle)같은 성질을 띤다. 그래서 보통 양공을 실제로 대전된 입자로 간주한다.




P-N 접합


반도체에 P형과 N형 도펀트를 인접하게 도핑하면 PN 접합을 만들 수 있다.
P형으로 도핑된 부분에 +바이어스 전압을 걸어주면,
P형 반도체의 다수 운반자(양공)가 접합면 쪽으로 밀려간다.
동시에 N형 반도체의 다수 운반자(전자)도 접합면 쪽으로 끌려간다.
그러면 접합면에는 운반자가 많아져서, 접합면이 도체 같은 성질을 띠게 되고,
접합면에 걸려있는 전압 때문에 전류가 흐른다.
양공 구름(양공이 구름처럼 몰려있는 것)과 전자구름이 만나면, 전자가 그 구멍(양공)으로
들어가서 움직이지 않는 공유결합을 이룬다.
만약 바이어스 전압이 반대로 걸리면, 양공과 전자는 접합면으로부터 서로 밀어낸다.
접합면에서는 새로운 전자/홀 쌍(pair)이 잘 생기지 않기 때문에, 접합면 주위에 있던 운반자는
모두 쓸려가버리면서, 접합면 주위에 운반자가 거의 없는 고갈영역을 형성하게 된다.
(전자는 +전압이 걸려있는 N영역 쪽으로, 양공은 -전압이 걸려있는 P영역 쪽으로 쓸려간다)
역방향 바이어스 전압은 접합면에 전류가 아주 조금만 흐르게 한다.
P-N접합은 전류가 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 다이오드라는 소자의 원리
이다.
비슷한 원리로, 세 번째 반도체 영역은 N형이나 P형으로 도핑해서 단자가 3개 있는 소자를 만들 수 있다.
이렇게 만들어낸 소자가 BJT(bipolar junction transistor)이다.
이 BJT는 P-N-P로 만들 수도 있고, N-P-N으로 만들 수도 있다.




출처: 위키백과(한글) , 위키백과(영문)


이미지 출처 : 네이버 백과사전

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