[반도체 물성/ 공학 ] 반도체 총정리 (1) - 반도체와 캐리어 모델링

안녕하세요, 인턴 면접을 앞두고 반도체 물성/ 반도체 공학 내용을 빠르게 정리해보고자 합니다. 아무래도 비전공자분께서 이해하기는 조금 어려울 수도 있습니다. 

목차

1. 반도체와 캐리어 모델링
2. 캐리어의 움직임
3. PN 접합 다이오드
4. 쌍극성접합 트랜지스터
5. 전계효과 소자
6. 반도체의 8대공정
7. 연산증폭기 

---

반도체란? 

반도체를 간단히 말하자면, 전기전도도가 도체와 부도체 사이인 물질을 뜻합니다. 더 간단히 말하자면 조건에 따라 전류가 흐르기도 안흐르기도 할 수 있는 물질을 반도체라고 합니다.  그럼 왜 중요할까요? 저희가 사용하는 컴퓨터는 0과 1로 구성되어 있습니다. 더 정확하게 말하자면 얼만큼 전류가 흐르냐에 따라 1과 0으로 구분합니다. 즉 전류의 흐름이 정보 저장부터 에너지 전달까지 모든 곳에서 엄청나게 중요합니다. 이를 조절하고 가능하게 하는 물질로 반도체를 주로 사용하는 것입니다.  

반도체는 주로 Si, Ge, GaAs,ZnSe등의 원소 구성을 보이는데 현재는 실리콘이 제일 많이 반도체에 사용됩니다.
앞서 언급한 다른 원소의 반도체들은 주로 고속 고온 특수한 경우에 더 많이 사용됩니다.  실리콘은 성능도 좋은데다, 모래에서 얻을 수 있는 물질이라 만들기 정말 쉽습니다. 흔히들 반도체가 비쌀거라 생각하는데 오히려 인덕터보다 저렴합니다. 

반도체 모델에는 결합 모델과 에너지 대역 모델이 있습니다. 수업에서는 사건의 에너지를 표현하기 위해서 에너지 대역 모델을 더 많이 사용합니다. 에너지 대역 모델에 대한 추가적인 설명은 하지 않겠지만 반도체는 전도대역과 가전자대역의 차이가 도체보다는 크고 부도체보다는 작습니다. 에너지 대역모델로 반도체를 설명하면 주로 이런식으로 설명을 많이 합니다. 흔히 실리콘 반도체는 1.12ev정도입니다. 고등학교때에는 최외각전자띠 라는 것을 배웠습니다. 반도체는 여러 원자들의 결합이기에 띠들이 마치 대역처럼 영역을 만듭니다. 가장 외각에 있는 대역을 가전자대역이라고 하고 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 대역을 전도대역이라고 하는 것 입니다.  아래 그림에서 가전자대역을 valence band, 전도대역을 conduction band라고 합니다. 

출처 위키피디아

캐리어 모델링  

반도체 내에서 전류를 운반하는 것을 캐리어 라고 합니다. 전도대역으로 올라간 전자가 캐리어가 되어 전류를 형성합니다. 기존 끈끈하게 결합되어 있는 원자들끼리에서는 캐리어가 발생하지 않지만 그 결합이 깨지거나 하면서 전자가 전도대로 올라가고 전류가 흐르게 되는 것 입니다. 한편 전자가 나온 빈 공간을 마치 가전자대역에서 어떤 빈공간이 움직이는 것처럼 묘사할 수도 있습니다. 이를 정공이라고 합니다. 

진성반도체란 무시할 만한 양의 불순물 원자만을 갖는 극히 순수한 반도체 샘플을 일컫는 말입니다. 이 곳에서 캐리어는 전자와 정공의 농도가 똑같습니다. 이제 도핑이라는 것을 합니다. 도핑이란 전자나 정공의 농도를 높이기 위해서 특별한 불순물원자의 양을 조절하여 넣는 것을 말합니다. 전자의 농도를 증가하기 위해서 인, 비소 등을 넣고 정공의 농도를 증가시키기 위해 붕소나 칼륨 알루미늄 원자등을 순수한 Si에 넣고 합니다. 

농도를 증가시키게 된다면 즉 도핑을 한다면 전류를 흐르게 하는 캐리어의 양이 많아지기 때문에 훨씬 전류가 잘 흐르게 됩니다. 이에 모든 반도체들은 대다수 도핑을 합니다. 전자농도를 증가시키는 불순물 원자를 도너라고 하고 정공농도를 증가시키는 불순물 원자를 억셉터라고 합니다. 

위키피디아

그림을 본다면 왼쪽은 pure silicon (순수한 반도체) 이며 p-type은 Boron ( 붕소) 를 추가하여 정공 농도를 증가시켰습니다. 이에 실리콘과의 결합에서 정공이 생긴 것을 볼 수 있습니다. N-type 보게된다면, N type에 자유전자가 생긴 것을 볼 수 있습니다. 도너가 도핑된 물질을 n형 물질, 억셉터가 도핑된 물질을 p형 물질이라고 합니다. 

또한,  주어진 반도체 샘플에서 가장 많은 캐리어를 다수 캐리어, 가장 적은 캐리어를 소수 캐리어라고 합니다. 

조금 더 심화되게 들어가서 페르미 함수를 보겠습니다. 

페르미 함수 f(E) 는 간단히 말하자면 에너지 E에서 존재하고 있는 준위들이 얼마나 많은 전자로써 채워지는가를 말합니다. ntype과 ptype의 페르미 준위를 보겠습니다. 페르미 준위는 E=페르미 준위 일때 f(Ef)=1/2 인 지점을 이야기합니다. 

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?no=4471

다음과 같이 n형 반도체에서는 페르미 준위가 전도대역 근처에 p형 반도체에서는 페르미 준위가 가전자대 근처에 위치하게 됩니다. 페르미 함수는 확률 함수 입니다. 이를 활용해 전자의 수와 밀도등을 알 수 있지만 가볍게 보는 시간이니 여기까지 하겠습니다. 좀 더 수식적인 것을 알고 싶다면 오늘 쓴 글의 출처인 반도체 소자공학 책을 읽는 것을 추천드립니다.