갈륨 나이트라이드: 반도체의 새로운 가능성
반도체는 유기적 혹은 무기적 물질로, 화학적 구조, 온도, 조명 및 도핑 물질의 존재에 따라 그 전도성을 조절할 수 있습니다. 이들의 전기 전도성은 구리나 금과 같은 금속과 유리와 같은 절연체 사이에 위치합니다. 반도체의 주요 특징은 4eV 미만(약 1eV)의 에너지 갭(energy gap)에 있습니다. 고체 물리학에서 이 에너지 갭은 전자 상태가 금지된 전자가 대역과 전도 대역 사이의 에너지 범위입니다. 전도체와 달리, 반도체의 전자는 이온화 방사선과 같은 에너지를 얻어서 에너지 갭을 넘어 전도 대역에 도달해야 합니다.
갈륨 나이트라이드(GaN)의 독특한 특성
갈륨 나이트라이드(GaN)는 넓은 에너지 갭(3.4eV)을 가진 반도체 재료로, 최근 들어 그 특별한 전자적 특성으로 주목받고 있습니다. 이는 실리콘(1.1eV) 및 갈륨 아르세나이드(1.4eV)와 같은 전통적인 반도체보다 더 큰 에너지 갭을 가집니다. GaN은 고전력 및 고주파 전자 장치에 사용하기에 매우 적합합니다.
GaN의 가장 큰 장점 중 하나는 실리콘에 비해 최대 20배 더 높은 전자 이동성을 가진다는 것입니다. 이는 더 높은 전자 속도와 더 빠른 스위칭 속도를 가능하게 하여 전력 전자 장치, 예를 들어 전원 공급 장치 및 인버터에 이상적입니다. 또한, GaN은 높은 온도에 대한 강한 저항력을 가지고 있어 자동차 및 항공 우주 애플리케이션과 같은 고온 환경에서 사용하기에 적합합니다. 추가적으로, GaN은 운영 중 생성되는 열을 분산시키는 데 도움이 되는 탁월한 열 전도성을 가지고 있습니다.
GaN은 또한 고휘도 LED와 레이저 다이오드 개발과 같은 광전자 분야에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다. GaN 기반 LED는 매우 효율적이며 일반 조명에서 자동차 헤드라이트, LCD 디스플레이의 백라이트에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용됩니다.
반도체의 유형과 특성
반도체는 전자적 특성에 따라 두 가지 기본 유형으로 분류됩니다:
내재 반도체(Intrinsic Semiconductors): 순수한 반도체로, 단일 원소(예: 실리콘, 게르마늄)로 구성되며 의도적인 도핑이 없습니다. 내재 반도체는 발렌스 밴드와 전도 밴드에 특정 수의 전자를 가지며, 일부 전자가 충분한 에너지를 얻어 그들의 결합에서 벗어나 전도 밴드에서 자유 전자가 될 때 전기를 전도합니다.
외재 반도체(Extrinsic Semiconductors): 도핑을 통해 전자적 특성을 변경하기 위해 의도적으로 불순물이 첨가된 불순한 반도체입니다. 외재 반도체는 두 가지 유형으로 더 세분화됩니다:
p형 반도체(p-type semiconductors): 보론과 같은 불순물 원소가 반도체 재료에 도입됩니다. 이 불순물은 반도체 재료보다 적은 수의 발렌스 전자를 가지고 있어, 발렌스 밴드에 “구멍”(전자의 부재)이 생성됩니다. 이 구멍들은 양의 전하 운반체처럼 전류를 전도할 수 있어, 재료에 p형 지정을 부여합니다.
n형 반도체(n-type semiconductors): 인과 같은 불순물 원소가 반도체 재료에 도입됩니다. 이 불순물은 반도체 재료보다 많은 발렌스 전자를 가지고 있어, 전도 밴드에 과잉 전자가 생성됩니다. 이 과잉 전자들은 음의 전하 운반체처럼 전류를 전도할 수 있어, 재료에 n형 지정을 부여합니다.
다음은 3가지 내재 반도체와 2가지 p형 및 n형 반도체의 주요 특성을 나타내는 표입니다:
반도체 유형 밴드 갭 (eV) 전자 이동성 (cm²/Vs) 구멍 이동성 (cm²/Vs) 열 전도성 (W/mK)
실리콘 (Si) 내재 1.12 1500 450 150
게르마늄 (Ge) 내재 0.67 3900 1900 60
갈륨 아르세나이드 (GaAs) 내재 1.43 8500 400 46
보론 도핑 실리콘 (p-Si) p형 1.12 1500 1800 150
인 도핑 실리콘 (n-Si) n형 1.12 1500 4500 150
알루미늄 도핑 갈륨 아르세나이드 (p-GaAs) p형 1.43 8500 200 46
실리콘 도핑 갈륨 아르세나이드 (n-GaAs) n형 1.43 8500 800 46
