반도체 기초 (1) 실리콘 원소와 Charge Carrier

·이 자료는 KMOOC 신창환 교수님의 강의 [반도 채 몰라도 들을 수 있는 반도체 소자 이야기]를 바탕으로 정리되었습니다.

실리콘 원소의 물성

낮은 resistivity(비저항, 10^(-6) ~ 10^(-5))를 가지는 물체를 도체(Conductor), 높은 resistivity(10^14 ~ 10^18)를 가지는 물체를 부도체(Insulator)라고 한다. 반도체(Semi-conductor)는 중간 정도의 resistivity(10^(-3) ~ 10^4)를 가지는 물체이다. 비저항이 낮을수록 쉽게 전류가 흐른다.

반도체 재료로 사용되는 것으로는 실리콘(Si), Ge(저마늄), C(탄소), GaAs(compound), ClSe(compound) 등이 있다. 이때 실리콘은 대표적인 반도체 재료로 사용되는 원소이다. 실리콘 원소는 14개의 전자를 가지고 있는데, 최외각 전자는 4개(3s, 3p orbitals에 위치)이다. 따라서 실리콘 원자는 4개의 이웃 실리콘 원자들과 결합하여 실리콘 결정을 형성한다.

Fig 1. 실리콘 원소와 실리콘 결정 구조 [1]

Fig 1.의 오른쪽 그림은 실리콘 Crystal 구조를 나타낸다. Crystal 구조에서 한 점은 실리콘 원자 하나를 나타내며, 실리콘 원자 하나는 4개의 이웃 실리콘 원자들과 결합(다이아몬드 구조)한다. 1 unit cell(실리콘 물질의 가장 기본이 되는 다이아몬드 결정 구조) 당 8개의 실리콘 원자가 포함된다. 1세제곱 센티미터의 공간 안에는 5*10^22 개의 실리콘 원자가 포함된다.

실리콘의 resistivity는 10^4 l·cm으로 반도체이다. 실리콘 내부에는 conduction electron(자유 전자)과 hole(정공)이 있는데, 이들은 실리콘에 전류가 흐르도록 전하를 옮기는 역할을 수행한다. 이들을 charge-carrier라고 부른다.

Charge Carrier와 실리콘 내 농도

Fig 2. 실리콘 결합 모델과 Charge carriers (자유 전자, 정공)

Fig 2.은 실리콘 원자들끼리의 결합을 표현한 그림이다. 실리콘 원자는 이웃한 4개의 실리콘 원자와 최외각 전자를 공유하며 공유 결합을 형성한다. 이때 전자는 약하게 결합되어 있기에 어느 정도 개수의 전자는 결합을 풀고 자유롭게 이동하는 경우가 발생한다. 이 전자를 자유 전자라고 하며, 이 전자가 사라지면서 생기는 결합 상의 빈 공간을 정공(hole)이라고 한다. 자유 전자는 (-) 전하를 가지고 있으며, 정공은 (+) 전하 ((-) 전하가 사라졌기에 (+) 전하를 가졌다고 함)를 가진다. 이들이 움직임으로서 실리콘 내부에 전류가 흐를 수 있다.

실리콘 내부의 charge carriers들의 농도가 높아질수록 큰 전류가 흐를 수 있다. 실리콘의 온도를 높이거나 불순물을 첨가하면 이들의 농도를 높일 수 있다. 아무런 불순물이 첨가되지 않은 pure 실리콘은 300K에서 약 100억개의 자유 전자를 가진다. 100억 개의 자유 전자만큼 그들의 빈 자리인 정공이 생기기에 정공의 개수 또한 약 100억 개이다.

Reference

[1] https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B7%9C%EC%86%8C