안녕하세요! 반도체 쉽게 알려주는 "띵주"입니다.
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반도체를 전혀 모르는 비전공자를 대상으로 "반도체"를 쉽게 풀어서 설명하는것이 목적입니다.
이번 포스팅에서는 "단위셀 내의 유효 원자수"를 주제로 이야기 해보겠습니다.
1. 단위셀과 유효 원자수란?
단위셀은 반도체 결정 구조의 기본 블록이라고 할 수 있습니다.
마치 레고 블록처럼, 이 단위셀들이 반복되면서 큰 반도체 구조가 만들어집니다.
단위셀 안에는 원자들이 들어 있는데, 한 단위셀에 있는 "실질적인" 원자의 개수를 유효 원자수라고 부릅니다.
그런데 여기서 재미있는 점은, 단위셀 안에 있는 원자 중 일부는 다른 단위셀과 공유된다는 겁니다!
그래서 이런 공유된 원자들은 계산할 때 나누어서 고려해야 합니다.
즉, "유효 원자수"는 한 단위셀이 실제로 가지는 원자의 수를 의미합니다.
2. 결정 구조에 따른 유효 원자수
반도체의 원자들은 다양한 방식으로 배열되는데, 배열 방식(결정 구조)에 따라 단위셀의 유효 원자수도 달라집니다.
아래에서 대표적인 결정 구조와 유효 원자수를 살펴볼겠습니다.
1. 단순 정육면체(SC: Simple Cubic)
- 원자가 단위셀의 꼭짓점에만 위치.
- 각 꼭짓점의 원자는 8개의 단위셀이 나눠 가집니다.
- 계산: 1/8 × 8 = 1
- 유효 원자수: 1개
➡️ 가장 단순한 구조입니다.
2. 체심 입방격자(BCC: Body-Centered Cubic)
- 단위셀 꼭짓점에 8개의 원자, 단위셀 중앙에 1개의 원자가 위치.
- 꼭짓점 원자는 다른 단위셀들과 공유, 중앙 원자는 단독 소유.
- 계산: 1/8 × 8 + 1 = 2
- 유효 원자수: 2개
➡️ 비교적 촘촘하지만 여전히 단순한 구조입니다.
3. 면심 입방격자(FCC: Face-Centered Cubic)
- 단위셀 꼭짓점에 8개, 각 면의 중심에 6개의 원자가 위치.
- 면 중심 원자는 2개의 단위셀이 공유합니다.
- 계산: 1/8 × 8 + 1/2 × 6 = 4
- 유효 원자수: 4개
➡️ FCC는 반도체에서 매우 자주 사용되는 구조입니다.
4. 다이아몬드 구조
- 다이아몬드 구조는 면심 입방격자(FCC) 구조를 기본으로 하며, 여기에 추가로 단위셀 내부에 4개의 원자가 더 배치됩니다.
- 단위셀 내부의 원자들은 공유되지 않기 때문에 100% 단독 소유입니다.
- 계산: 1/8 × 8 + 1/2 × 6 + 4 = 8
- 유효 원자수: 8개
➡️ 이 구조는 실리콘(Si)과 같은 반도체 물질에서 매우 중요한 역할을 합니다.
3. 결정 구조와 유효 원자수 요약
아래 표는 각 결정 구조와 단위셀 내 유효 원자수를 한눈에 보여줍니다.
| 단순 정육면체(SC) | 1 |
| 체심 입방격자(BCC) | 2 |
| 면심 입방격자(FCC) | 4 |
| 다이아몬드 구조 | 8 |
마무리하며
단위셀과 유효 원자수를 이해하면, 반도체의 전기적 특성과 물리적 특성을 더 잘 이해할 수 있습니다.
반도체 기술의 기초를 이해하는 데 꼭 필요한 내용이니, 잘 기억해 두세요!
아아!! 그리고 알아두면 좋은 숫자 하나를 알려드릴게요!!
정육면체 단위셀 구조인 경우, 단위셀을 이루는 기본벡터의 크기를 격자상수(lattice constant)라고 하는데,
일반적으로 기호 a라고 나타내고, Si, Ge, GaAs 등의 격자상수의 크기는 대체로 0.5~0.6 [nm]입니다!!
같은 내용을 반도체를 전공으로 하는 학부생을 대상으로 "반도체공학"에서 배우는 이론 및 지식들을 깔끔하게 정리한 내용을 원하시면 아래 링크를 참고하세요.
[Day8] 단위셀 내의 유효 원자수
안녕하세요! 반도체 자세하게 알려주는 "띵주"입니다. "전공자를 위한 자세한 반도체 이론" 카테고리에 포스팅하는 글들은 반도체를 전공으로 하는 학부생을 대상으로 "반도체공학"
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