재료전자물성 - 반도체

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목차: 주 제 : 반도체

1. 반도체의 정의 3
2. 반도체의 원리 3
3. 반도체의 종류
①불순물양에 따라 5
②다이오드 6
③트랜지스터 10
④I.C(Integrated Circuit : 집적회로) 12
4. 반도체의 제조공정 15
5. 반도체의 응용분야
①나노복합재료를 이용한 태양전지 22
②나노입자 태양전지 22
③반도체 박막 태양전지 23
④Thin Flim Trasistor(TFT) 23

본문내용: 1. 반도체의 정의

전기를 잘 통하게 하는 도체와 전기가 흐르기 어려운 절연체의 중간에 있는 것을 뜻한다.
반도체란 원래 거의 전기가 통하지 않지만 빝이나 열, 또는 불순물을 가해주면 전기가 통하고, 조절도 할 수 있는 물질로 전기를 잘 통하는 전도체와 전기를 통하지 않는 절연체의 양방향적 성격을 지닌 실리콘이나 갈륨비소 등을 의미하나 통상적으로는 이러한 물질을 이용해서 만든 전자부품으로서 전기의 증폭, 정류, 축적 증의 기능을 발휘하는 것을 말한다.

2. 반도체의 원리

일반적으로 절연체로 알려져 있는 것의 대다수가 약간씩이나마 전기전도성을 가지고 있기 때문에 반도체는 절연체의 범주에 속한다고 할 수 있다. 비저항의 크기는 물질의 종류가 같더라도 외부 조건에 따라서 여러 가지로 변한다. 또한 그 물질의 결정격자의 결함·순도·제조 및 가공방법이 다르면 반도체나 절연체에서는 비저항이 심하게 변하지만 도체에서는 그 변화가 별로 크지 않다. 도체의 경우는 온도가 증가함에 따라 비저항이 크게 되지만 반도체나 절연체의 경우는 도리어 감소되며, 그 변화율도 도체의 경우보다는 훨씬 크다. 반도체나 절연체의 경우는 외부로부터의 빛이나 열 등의 자극이 가해질 경우 비저항이 크게 변하는 특징이 있다. 이와 같은 비저항의 변화율이 반도체의 경우는 특히 커서 이 특성이 여러 분야에서 이용된다. 물질 속을 전류가 흐르게 되는 것은 전기를 지니며 동시에 움직이기 쉬운 상태에 있는 미립자가 그 물질 속에 있기 때문이라고 생각된다. 이 전기를 지니고 전류를 형성하는 미립자를 전하반송자(운반체) 또는 캐리어(carrier)라고 한다.

물질 속에서 캐리어가 발생되는 것은 물질의 종류나 상태에 따라 각양각색이며 염화나트륨 NaCl과 같은 경우에는 높은 온도에서 이것이 녹아 나트륨이온 Na+ 과 염소이온 Cl- 으로 분해하며, 이들이 캐리어로 되어 외부 전기장에 의하여 이동하는 결과 전류가 생긴다. 이것을 '이온 전도 (電導)'라고 한다. 그러나 이 경우 낮은 온도, 예컨대 상온에서는 이와 같은 이온의 발생이 없어 염화나트륨의 결정은 절연체로 된다. 또 도체인 금속의 경우는 구리의 예를 보면, 캐리어는 구리 원자 외각에서 이탈하여 구리 결정체 속을 자유롭게 이동할 수 있는 전자(電子)들이다.
반도체의 경우도 결정 속을 이동하는 이와 같은 전자가 캐리어가 된다. 이것을 전자전도(電子傳導)라고 한다. 전자전도는 반도체의 전기전도의 한 특징이다. 반도체 또는 금속에 전류를 통하고 이것에 수직된 방향으로 정자기장(靜磁氣場)을 가하면 전류방향과 자기장방향 양쪽에 대하여 수직 방향으로 이들의 크기에 대략 비례하는 기전력(起電力)이 발생된다.이것을 홀(Hall)효과라고 한다. 이 기전력의 크기는 반도체의 경우가 가장 크며 금속의 경우가 그 다음이고 절연체의 경우는 매우 작다. 이 기전력이 생기는 방향에 따라 전류를 이루는 주된 캐리어가 지니고 있는 전하(電荷)가 양·음인가를 분간할 수 있다. 대부분의 금속의 경우에는 이들 캐리어들이 음(陰)의 전기(음전하)를 지니는 입자 즉 전자임이 알려져 있다. 그러나 반도체의 경우는 그 물질에 따라 양 또는 음의 전기를 지니는 전자가 전류를 이루는 캐리어가 된다고 생각되는 경우가 생긴다. 이때 양의 전기를 지니는 전자로 볼 수 있는 캐리어를 특히 정공이라고 한다.

금속의 경우와 같이 전류 캐리어가 주로 전자인 경우를 n형 반도체, 전류 캐리어가 주로 정공일 경우를 p형 반도체라고 한다. 이와 같이 전자와 정공 두 가지의 캐리어가 존재할 수 있는 것도 반도체 특징의 하나이다. 반도체의 전기전도에 대한 물리적 기구는 다음과 같이 에너지 대역의 이론을 써서 설명할 수 있다. 즉 현대물리학의 결론에 따르면, 진공 속에서 전자가 취할 수 있는 에너지는 0(정지상태)에서 무한대에 이르는 연속적인 값일 수 있으나 원자 외각 속에 있는 전자는 불연속적으로 띄엄띄엄한 값만을 취할 수 있다. 이와 같은 원자의 규칙적인 배열로써 이루어진 고체 내에 존재하는 핵외(核外)전자는 역시 일반적으로 각자 어떤 불연속적으로 흩어진 에너지 값을 갖고 있으며, 빛을 흡수하거나 열을 받아서 그의 에너지가 변화될 수 있다. 이와 같은 전자에너지의 변화로써 전자에 의한 고체 내에서의 전기전도를 설명할 수 있다. 이들 전자가 고체 내에서 취할 수 있는 에너지 값에는 제한조건이 있으며, 고체물질의 구성원자와 결정구조에 따라서 그의 허용치가 정해진다. ［그림A］에서 ⑴의 경우 고체 내의 원자핵 외부, 즉 외각의 전자들은 E_0 ∼ E_1 , E_2∼ E_3 , E_3 ∼ E_4 등 범위 내의 에너지 값을 가질 수 있으나 E_1 ∼E _2 의 범위 내의 에너지 값은 허용되지 않는다. 앞의 경우와 같이 전자가 취할 수 있는 에너지 값의 범위를 허용대역, 후자와 같이 전자가 취할 수 없는 에너지 값의 범위를 금지영역이라 한다. 즉 이것은 자유공간에 있는 전자의 경우와 크게 다른 점이다. 한편, 페르미-디랙(Fermi-Dirac)의 통계이론과 파울리(Pauli)의 배타원리(排他原理)에 따라 고체 내의 전자들은 대체로 이들 허용된 범위 내의 에너지 값을 낮은 쪽에서부터 취하여 가는데 각 에너지값 즉 에너지 준위에 대하여 같은 에너지 값을 차지할 수 있는 전자의 수는 일정하게 되어 있다. 즉 한 에너지 준위에는 일정 수 이상의 전자는 있을 수 없으며 허용대역 내에 거의 연속적으로 분포되어 있는 에너지 준위를 아래쪽부터 전자가 차지하게 된다. ［그림A］의 도체와 같은 경우에는 허용대역 중에 전자가 취할 수는 있으나 아직 채워지지 않은 에너지값 즉 에너지 준위가 있다.

전자가 서로 다른 두 개의 에너지 준위 사이를 이동할 때는 외부적 에너지의 주고받음이 전자에 대하여 생긴다. 그러나 같은 에너지 준위에서의 이동 때는 에너지의 주고받음은 없다. ［그림A］에서 ⑴의 경우와 같이 허용대역 속에 거의 연속적으로 전자가 없는 에너지 준위가 있는 경우는 고체 내에서의 전자의 이동에 매우 작은 외부 에너지만이 필요하며 이와 같은 고체를 도체(導體)라고 한다. 이것의 전기전도도는 매우 크다. ［그림A］의 ⑵의 경우, 허용대역은 E_0 ∼ E _1 ,E_2 ∼E_3 ,E_4 ∼ E_5의 범위에 있으며 이들 서로 떨어져 있는 허용대역 중 에너지 준위 E_3까지 전자가 채워져 있다. 이와 같은 허용된 에너지 대역 중 전자들에 의하여 완전히 채워져 있는 대역을 충만 대역(filled band)이라 하며, 특히 그림A의 경우 E_2∼E_3 와 같이 가장 위쪽의 것을 가전자 대역(價電子帶域)이라 한다. 이 최고위치의 충만 대역 위쪽에 있는, 전자로 채워져 있지 않은 허용대역을 전도대역(電導帶域)이라고 한다. 충만 대역과 전도대역과의 사이의 전자가 취할 수 없는 에너지 값의 범위를 금지영역이라 한다(［그림A］의 E_4 － E_3 = Eg). 이와 같은 고체는 절대영도에서는 전도대역에 전자가 없어 완전한 절연체이지만 온도가 높아지면 열운동에 의하여 전자들이 에너지를 얻어 일정한 확률로 전도대역의 에너지 준위에 상당하는 에너지 값을 갖게 된다. 즉 전도대역에 전자가 있게 된다. 그 확률은 Eg가 클수록 지수함수적(指數函數的)으로 감소하며 Eg가 수 eV일 경우는 상온에서 전도대역에 전자가 거의 없을 정도로 된다. 그러나 Eg가 1 eV 정도의 크기면 상온에서도 상당수의 전자가 전도대역에 있을 수 있게 되는데 앞의 경우가 절연체, 후자의 경우가 반도체의 경우가 된다. 이상과 같이 반도체와 절연체의 경계는 명확히 정의하기가 어려우나 상온에서는 절연체이더라도 온도가 높아지면 반도체로 된다. 고체에다 불순물을 소량 첨가하면 고체를 구성하는 원자와 첨가한 불순물 원자와의 원자핵외(核外) 전자구조가 다르기 때문에 이 결정체 내에서의 전자들의 에너지 대역구조가 앞서와는 다르게 되며, 금지영역 속에 새로이 불순물 준위(不純物準位)라는 전자에 대한 허용된 에너지 준위가 생긴다. 이와 같은 허용준위가 생기면 이들 새 에너지 준위들과 전도대역 또는 가전자 대역 사이에서 전자의 이동이 외부적 에너지에 의하여 생기며, Eg가 충분히 크다 하더라도 반도체로 될 수 있다.

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