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(1) 반도체

1) 반도체의 정의

금속과 절연물의 중간에 전기저항을 가진 물질로서 10-3~105 0 cm 정도로 비 저항을 나타내는 것이다. 그러나 반도체는 비 저항값만으로 정해지는 것이 아니고 비 저항의 온도 계수, 전류 특성, 광전도성, 광기전력등에 의해 정해지는 것이다. 게르마늄 이나 실리콘으로 대표되는 단일원소의 반도체와 갈륨비소, 황화 카드뮴 등의 화합물 반도체가 있다.

집적회로 (Integrated Circuit)

일반적으로 IC 라고 부르며, 수동,능동의 회로 소자가 하나의 기판 위 또는 기판 내에 분리 불능의 상태로 결합되어 있고 1개의 회로의 크기는 트랜지스터 1개의 크지 정도로 작다. 그 구조에 따라 박막 집적 회로와 반도체 집적 회로 또는 양자를 병용한 혼성 집적 회로로 나타낸다.
이들 집적 회로를 사용하면 전자 계산기를 비롯하여 각종 전자기기를 매우 소형으로 만들 수 있어 신뢰도가 향상되고 동작 속도가 빨라지고 대량 생산되는 동시에 가격도 종래의 부품 조립 방식보다 훨씬 낮아진다.

아날로그 집적 회로(analog integrated circuit)

입력양에 대응하여 출력량이 연속적으로 변화하는 특성을 지니며, 값이 시간적으로 연속되는 특히 입출력 관계가 선형인 것을 선형 집적 회로라 한다. 전기신호의 증폭, 발진,변화, 연산, 필터링 등의 기능이 있는 집적회로

디지털 집적회로(digital integrated circuit)

디지털 신호의 '0', '1'을 회로의 동작점에 대응 시킴으로써 논리, 연산, 상호 변환 전달 축적 등의 기능을 실현하기 위하여 몇 개의 회로 형식이 사용되고 있다. 대표적인 것이 TTL(transistor-transistor logic circuit) 트랜지스터 트랜지스터 논리회로 이다.

2) 반도체의 이해

반도체의 이해를 위해서는 반도체의 재료에 대해 이해해야 한다. 여기서는 대표적인 실리콘에 대해 설명한다.

② 실리콘 결정

Si원자가 집합된 고체에서는 가장 외곽(M각)의 전자가 각각 영향을 주게 된다. 각 전자의 에너지 차이는 매우 작기 때문에 전자가 가진 에너지는 연속상으로 되어 그림 2c) 와 같이 밴드 형태로 된다. 반도체인 경우에는 그림 3(d)와 같이 각각의 밴드에 이름이 붙어 있다. 전자가 채워져 있는 밴드를 가전자대, 그 위에 전자가 비어있는 반 결합밴드를 전도대,그 사이에 전자가 존재할 수 없는 영역을 금지대라고 부른다.

이와 같이 가전자대는 전자가 채워져 있으므로 전자는 움직일수 없다. 한편 전도대에 있는 전자는 자유롭게 움직이므로 '자유전자'라 불리며 이것이 반 도체의 전도에 기여한다. Si 만으로 결정을 만들었을 경우, 가전자대는 전자로 채워져 있으며 전도대의 자유전자가 없기 때문에 도체로써의 성질을 가질수 없다. 이것을 '진성반 도체'라 한다.

3) 원자의 결합

위의 내용들을 종합하여 원자의 결합 모델을 살펴 보도록 한다.

4) 전자의 여기

반도체는 그림 4(a)와 같이 가전자대, 금지대, 전도대로 형성된다.
전도대에는 전자가 없다. 그래서 전류를 흘리기 위해 가전대로 부터 전도대로 전자를 어떻게든 올려줄 필요가 있는데 이것을 '여기'라 한다. 그 수단이 열일 경우를 "열 여기', 빛 일 경우를 '광 여기'라 부른다. 그림 4의 (b)는 여기에 의해 자유전자가 생성된 상태이다.

ⓛ 열 여기

물질에 열이 있으면 그 열에 의해 전자는 에너지를 받아 가전자대에서 전도대로 여기 된다. 그 여기 에너지는 KT에서 실온 300K(27°C)인 경우 0.026 eV(Electron Volt) 정도 이다. 여기서 k는 볼츠만의 상수이며 1,38x10-23 J/K이다. 이렇게 작다면 반도체에 영향을 전혀 주지 않을 것이 생각할 수도 있겠지만 가전자대의 전자는 아주 많으므로 아주 적은 전도대의 여기돼도 전류가 흐른다.

② 광 여기

물질에 빛을 조사하면 전자는 광 에너지를 받아 여기 된다. 광에너지 Eo[eV] 는 Eo = h x v 으로 나타낸다. 여기서 h는 플랑크 상수(약 6.63x10-34.5), V는 빛의 진동수[Hz]이다.

예를 들어 적색인 경우, 빛의 파장은 약 0.7um이므로 v = 428x1012Hz, 전자의 에너지는 약 1.6x10-19j이기 때문에 그 에너지는 약 1.8eV 이다. 그림 5(a)와 같이 반도체에 가하는 빛의 파장을 바꿔보도록 한다. 금지대 폭은 실리콘의 1.1ev로 한다.

먼저 적외선과 같은 에너지가 1.1eV보다 작은 빛(파장 1.1um 이상)에서는 빛 에너지가 작으므로 전자는 가전자대로 부터 전도대로 거의 여기 되지 않는다. 따라서 빛은 이 물체에 영향을 주지 않기 때문에 빛은 흡수되지 않고 그 물체를 투과할 수 있다.
빛의 에너지를 크게 하여 1.1eV를 초과하면 이 광자의 에너지에 의해가전대의 전자는 전도대에 여기되고 이 광자는 에너지를 잃어버리므로 소멸된다. 따라서 빛의 흡수계수는 커지고 투과율도 작아진다. 광 반도체 디바이스는 이러한 반도체의 광 특성을 이용하여 만든다.

페르미 준위
전자의 이동이 일어나는데 그 때의 기준을 정하고 싶기 때문이다. 물통의 수면을 생각 하면 알기 쉬울 것이다. 그림 6과 같이 페르미 준위의 위치가 다른 재료 즉 수면이 다른 물통이 있다고 하자 이 2개의 재료를 접합한다는 것은 2개의 물통을 호스로 이어주는 것과 같아 게 된다 이와 마찬가지로 페르미 준위가 다른 재료를 접합하면 그 접합면에서 페르미 준위가 일치하지만 반도체인 경우에는 전하를 띠고 있으므로 단순하지 않게 된다.

5) N형 반도체와 P형 반도체

진성 반도체는 전도대에 자유전자가 거의 없다는 것을 설명했다. 그래서 반도체 속에 불순물이라 말하는 다른 원자를 가해 본다.

① N형 반도체

먼저 5가의 원자인 인(P)을 Si원자에 넣었을 경우의 공유결합 모습과 그 때의 밴드 그림을 그림 7에 나타낸다. 인이 들어감으로써 전자 하나가 과잉돼버 린다 이 전자는 가전자대로 넣는 궤도가 아무 데도 없으므로 전도대의 궤도에 넣어 자유롭게 움직일 수 있게 된다.
밴드 그림에서 보면 인은 실리콘 결정 속에 첨가됨으로써 '도너 준위'라 불리는 에너지 상태가 Si의 금지대 속에 생긴다. 이 도너 준위는 전도대 바로 아래에 생성되므로 열에 의해 쉽게 여기되고 반도체가 전기를 잘 통과시킬 수 있게 된다.
이와 같이 자유전자를 가하는 물질 '도더(donor)'를 첨가하여 자유전자가 많이 있는 반도체를 N형 반도체라 한다.

② P형 반도체

다음에 3가인 보론(B) 을 첨가했을 경우 그림 5 C)와같이 가장 외곽의 전자는 7개로 되고 1개가 결여된 상태로 된다. 이 빈 궤도에는 인 원자의 전자가 쉽게 이동할 수 있으므로 이 빈곳을 사용하면서 전자가 이동할 수 있게 된다. 이것을 좀 크게 보면 전자가 움직이고 있는 것이 아니라 정(+)의 전하가 움직이고 있는 것처럼 보인다 이 정 전하를 '정공(hole)'이라 부르며 전자와 마찬가지로 전기 전도에 기여한다.

이와 같이 정공의 이동은 전자가 비어있는 장소를 메우 면서 진행하기 때문에 일반적으로 먼저 5가의 원자인 인(P)을 Si원자에 넣었을 경우의 공유결합 모습과 그 때의 밴드 그림을 그 페르미 준위란 물질의 전자분포에서 그 존재확률이 1/2 인 준위 레벨 의 에너지값을 말한다. 어째서 이러한 준위가 필요 한가 하면 다른 물질을 접합 했을 때 전자의 상태가 다르면 수면이 높은 물통에서 수면이 낮은 물통으로 물이 흐르고 최종적으로 물통 2개의 수면은 일치 하도록 전하 또는 정공이 이동한다. 단 수면은 전하를 띠고 있지 않으므로 평탄하게 그림 6 페르미 준위 다음에 3가인 보론(B) 을 첨가했을 경우 그림 5(C)와같이 가장 외곽의 전자는 7개로 되고 9 따라서 정공을 전기전도에 사용하는 소자인 PNP형 트랜지스터나 P채널 FET는 일반적으로 N형 트랜지스터나 N채널 FET 보다 동작속도가 느려진다.

따라서 정공을 전기전도에 사용하는 소자인 PNP형 트랜지스터나 P채널 FET는 일반적으로 N형 트랜지스터나 N채널 FET 보다 동작속도가 느려진다. 가전자대에는 전자가 빈 구멍인 '정공이 생긴다. 이와 같이 전자를 수용하는 '억셉터(acceptor)'를 첨가하여 정공이 많이 있는 반도체를 P형 반도 체라 한다.

6) 절연체, 반도체, 금속의 차이

전기전도의 관점에서 물질을 살펴보면 절연체, 금속, 반도체로 분류된다. 이들의 저항율은 그림 8에 나타난 것과 같이 10-6 ~1020Ωcm 까지이며 값으로는 27자리나 차이가 난다. 그림 9에 각 재료에 밴드도를 나타낸다.

① 절연체

금지대의 크기가 매우 큰것을 말한다. 실온 정도의 열 여기에서는 가전자대로부터 전도대로 전자의 여기가 없고 따라서 전류는 전혀 흐르지 않는다.
반대로 말하면, 어떠한 수단으로 가전자로부터 전도대로 전자를 여기해 주면 전류가 흐르게 된다. 이것은 절연 파괴라는 현상으로 나타난다. 만약 절연체의 전류가 흘렀다면 절연파괴가 불리지만 물성적으로는 단지 전자가 가전자대로 부터 전도대에 여기된 현상에 불과하다.

② 반도체

반도체의 에너지 갭은 적당한 크기를 갖고 있으므로 열 여기나 광 여기로 가전자대로 부터 전도대로 전자가 여기되어 전기가 흐른다. 또 적당한 도너 불순불이나 엑셉터 불순물을 첨가함으로써 전자 또는 정공의 밀도를 바꿀 수 있어 결과적으로 저항율이 크게 달라진다.

③ 금속

전도대에 전자를 여기하는 일 없이 전도대의 전자가 가득 채워져 있는 재료를 금속이라 말할 수있다. 페르미 준위가 전도대에 있는 것이 금속이다.