[Day2] 반도체의 전기적 특성을 결정하는 요소

안녕하세요! 반도체 자세하게 알려주는 "띵주"입니다.

"전공자를 위한 자세한 반도체 이론" 카테고리에 포스팅하는 글들은

반도체를 전공으로 하는 학부생을 대상으로 "반도체공학"에서 배우는 이론 및 지식들을 깔끔하게 정리하는 게 목적입니다.

이번 포스팅에서는 "반도체의 전기적 특성을 결정하는 요소"를 주제로 정리해 보겠습니다.

---

반도체란?

- 지난시간에 반도체가 중요한 이유는 전기전도도를 원하는 대로 조절할 수 있는 특성이라고 정리 했었습니다.

[Day1] 전기전도도(σ)에 따른 고체의분류

그럼 우리는 반도체의 전기전도도를 어떻게 조절 할 수 있을까요??

반도체는 재료(원자의 종류, 결합상태 및 배열구조), 제조공정, 소자의 구조와 인가된 전압에 의해 원하는 만큼 정확한 크기로 전기전도도를 조절 할 수 있습니다.

---

결정성 반도체의 전기전도도 조절

결정성 반도체는 주기적으로 배열되어 반도체를 구성하는 원자와 다른원소(불순문; impurity, dopant atoms)를 낮은 농도로 주입하거나, 외부에서 인가한 전압, 빛, 또는 압력 등의 bias 로 전기전도도를 정확하게 조절 할 수 있습니다.

 

따라서 반도체는 아주작은 전기전도도를 가진 부도체(insulator)의 특성부터 전기전도도가 큰 도체 (conductor)의 특성까지 원하는 대로 정확하게 조절이 가능합니다. 

---

반도체 예시

몇 가지 반도체의 실제 예시를 들어보겠습니다.
- 실리콘(Si) : 가장 널리 사용되고 있는 반도체입니다.

- 게르마늄(Ge) : 초기 반도체 구현에 사용되던 반도체입니다.

- 갈룸비소(GaAs), 인듐인(InP), 질화갈륨(GaN) : 광반도체 소자 및 초고속, 초고주파용 소자의 구현재료로 사용되는 화합물 반도체입니다.

---

반도체의 전기적 특성을 결정하는 조건

- 반도체의 전기적 특성(I-V)을 결정하는 변수로는 다음과 같이 6가지가 있습니다.

1) 반도체 소자를 구성하는 재료(원자배열구조)의 종류

2) 반도체 소자가 동작하는 온도 등의 환경

3) 반도체 소자의 제조에 사용되는 제조공정(불순문 주입과 열처리)

4) 반도체 소자의 기하학적 구조 (소자의 길이와 두께)
5) 반도체 소자의 크기(전류가 흐르는 방향에 수직인 단면적 A [cm^2])
6) 반도체 소자의 인가한 전압 (V [V])

---

전류밀도 J [A/cm^2]

- 반도체의 전기적 특성을 결정하는 전류는 I=JA [A] 로 표시할 수 있습니다.

즉, 전류는 흐르는 방향에 수직인 단면적에 비례합니다.
- 소자의 단면적을 제외한 반도체의 전기적 특성을 결정하는 전류밀도, J 는 아래 수식처럼 나타낼 수 있습니다.

이 때,

• Q' [C] : 전류형성에 기여하는 이동전하가 어떤 전하를 띠고 있는가? 를 나타냅니다. (전자: -q, 정공:+q)
• N[cm^-3] : 전류형성에 기여하는 이동전하가 단위체적당 농도가 얼마인가? 를 나타냅니다.(전자:n, 정공:p)
• v[cm/s] : 전류형성에 기여하는 이동전하가 얼마나 빨리 이동하는가? 를 나타냅니다.(전자:v_n, 정공:v_p)

-특히, 반도체 내에서 이동전하인 전자가 겪는 정전기적 에너지 장벽 (Ep(x) [eV] : electrostatic barrier)의 형태와 공간적 분포등이 "원자배열 구조" 즉 "결정구조" 의해 결정됩니다. 관련 내용은 추후에 자세히 정리하도록 하겠습니다.

---

전하 유동밀도(Flux) 

농도와 이동속도를 곱한 물리량 N v [1/s cm2] 을 전하유동밀도 (Flux) 라고 부르며, 물리적인 의미는 1초 동안 단면적을 통해 이동하는 전하의 수를 의미합니다.

 

따라서 전류밀도를 아래와 같이 다시 정리할 수 있고, 이는 반도체를 이해 하는데 가장 중요한 도구로 사용될 것이니 잘 기억해 두시길 바랍니다.

---

마무리하며

반도체의 전기적특성을 결정하는 요소는 "재료", "온도", "공정", "구조", "크기", "bias" 총 6가지가 있으며,

소자의 단면적을 제외한 반도체의 전기적 특성을 결정하는 전류 밀도 J 는 Σ Q'NV 로 나타낼 수 있습니다.이때, Nv 는 Flux 에 해당하므로

 

J= Σ Q' NV = Σ Q' Flx  이렇게 정리 할 수 있습니다.

 

다음시간에는 "원자배열 주기성에 따른 반도체의 분류" 에 대해 정리해보겠습니다.

같은 내용을 반도체를 전혀 모르는 비전공자를 대상으로 "반도체"를 쉽게 풀어서 설명하는 내용을 원하시면 아래 링크를 참고하세요.

(day2) 반도체의 전기적 특성을 결정하는 6가지 조건: 전류 밀도와의 연관성