안녕하세요, 송송입니다. 저번 시간에는 반도체에 대해서 아주 살짝 찍어 먹은 듯 했습니다. 실제로, 반도체에 대해 더 자세하게 말하고 싶지만, 그렇게 되면 기초적인 부분을 다 설명하고 넘어거야하는데... 저도 다 설명드릴 자신이 없네요.
그렇기 떄문에 큰 틀 안에서 꼭 알아야하는 지식들을 추려서 설명하고는 있습니다! 우린 간단하게 알아볼건데요 뭐~
그럼 시작하겠습니다.!
1. Energy band gap 이란?
- Conduction band와 Valance band 사이에 에너지 준위 차이
- 에너지 밴드갭이 크면 부도체, 밴드갭이 없거나 작으면 도체로 분류
- 물질은 각각 고유한 에너지 밴드 갭을 갖고 있음
* Conduction band와 Valance band .. 그게 뭔데요.
▶ Conduction Band : Sea of hole → 정공(Hole)로 가득 차있는 영역입니다.
▶ Valance band : Sea of electron → 전자로 가득 차있는 영역입니다.
위 그림을 보시면 이해하기 편할겁니다. 아래쪽에 전자로 가득차있는 Valance band가 있고, 위쪽에 Hole로 가득 차 있는 Conduction band가 존재합니다. 이 둘의 에너지 준위 차이를 에너지 밴드 갭이라고 하는 것이죠.
가장 왼쪽에 있는 그림은 Valance band에서부터 conduction band까지의 거리가 멀죠? 그럼 에너지 밴드 갭 차이가 큽니다. 그러면 부도체! 전류가 흐르지 않아요~
왜 그런지는 뒤에 설명 드릴게요.
다음 중간에 있는 그림은 에너지 밴드 갭이 작아요. 그럼 반도체. → 작은지 큰지 애매해요~
* 그렇습니다. 이해하기 편하라고 제가 거리가 멀다 가깝다 작다 표현할 뿐, 실제로는 에너지 갭 차이가 얼마 이상 얼마 이하 수치로 나타냅니다. (반도체 : 0.1 eV ~ 4 eV)
가장 오른쪽 그림은 도체입니다. Valance band와 Conduction band가 구분 없이 딱 붙어있는것이죠.
왜 이게 도체, 부도체, 반도체로 구분할 수 있을까..?
제가 저번에 최외각 전자에서 튀어나온 자유전자 얘기를 했었죠? 이 Valance band에서 자유전자가 튀어나와 conduction band에 도달하면 전류가 흐르게 됩니다. 그러니 에너지 밴드 갭이 크다면? 튀어나온 자유전자가 먼 거리에 있는 Conduction band까지 도달하기 어렵겠죠? 그러니 부도체가 되는겁니다.
반면 도체의 경우는 그냥 붙어있기 때문에 자유롭게 자유전자들이 이동할 수 있겠죠? 그러니 전류가 쭉쭉 흐를 수 있는것이죠.
반도체는 어떨까요? 정말~~ 애매한 거리에 있어요. 그러니 자유 전자가 튀어나와서 Conduction band에 도달 할랑 말랑 하고 있겠죠. 그러니 여기에 어떤 외부적 힘을 주면 뿅! 하고 자유전자가 Conduction band에 도달하여 전류가 흐르겠죠. 이런 방식을 통해 전류가 흐를 수 있도록 할 수 있고, 자유전자가 Conduction band에 도달하지 못하게 외부의 힘을 안주면 전류가 흐르지 않는 상태가 되는 반도체로 변신할 수 있는것입니다.
이 에너지 밴드 갭은 고유한 값이라고 설명드렸지만, 이는 물질과 결정구조가 정해졌을 때를 의미합니다.
그러나, 상수가 아닌 온도에 따라 변하게 되는데요, 온도가 상승함에 따라 원자간의 거리가 커지게 되고, 이때 에너지 밴드갭의 크기도 작아집니다.
* 간단하게 예를 들어보면 온돌방에 장작을 겁나 넣어서 방바닥을 아주 그냥 태울듯이 불을 떼면 온돌 방 안에 들어있는 손님들이 어떨까요? 뜨거운 방바닥을 탈출하고자 펄쩍펄쩍 뛰겠죠? 운이 좋게도 운동 신경이 좋은 손님 한 분이 지붕을 뚫었습니다... 이런 식으로 자유전자들도 열에너지를 받으면 마구마구 쏟아내버리고 싶어 하기 떄문에 Valance band에서 Conduction band까지 도달하기가 더 쉬워지게 됩니다.
+ 에너지 밴드 갭에 대해 자세하게 알아보려면 파울리의 배타원리부터 들어가야합니다만.. 생략하도록 할게요!
굳이 굳이 얘기 안해도 충분히 위 내용 이해하셨을 거라 생각됩니다!
▶ 매번 기판이 실리콘이니 뭐니~ 반도체에 빠질수 없는 이 실리콘이란놈!
대체 왜 쓰는데?
- 순수한 단결정(single crystal)을 값싸고 쉽게 얻을 수 있습니다.
- Si의 산화물인 SiO2의 유용성(절연체, 보호막) 및 생성 방법이 매우 쉬움(Thermal oxidation) → 이전 포스팅 산화공정에 있습니다~
- Si는 기계적으로 매우 단단하고, 화학적 식각 성질이 공정상에 용이하다.
* 실리콘은 그냥 반도체에 최적의 조건을 갖고 있습니다.
저번 시간에 Extrinsic semiconductor에 대해 잠깐 소개했었죠? 이는 P-type과 N-Type으로 나뉩니다.
▶ Extrinsic semiconductor :
- 절연체인 반도체에 인위적으로 불순물을 주입하여 자유전자의 수를 증가시킴
- 반도체 원자의 원자핵 주위에 있던 전자가 자유전자로 되기 쉬움 → 전류가 잘 흐른다.(그렇다고 금속보다 잘 흐르진 않겠죠..)
- 불순물 주입을 통해 열 에너지를 공급하지 않아도 자유 전자가 생김
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에너지 밴드 갭을 알면 뭐 40%는 다 배웠다고 할 수 있죠!
다음 포스팅은 P-Type 반도체와 N-Type 반도체에 대해 알아보도록 하겠습니다.
휴가철이라는데 다들 즐거운 여름 휴가 보내시길 바랍니다~