반도체의 특성
반도체는 무기 또는 유기 재료로서, 화학 구조, 온도, 조명 및 도핑제의 존재에 따라 그들의 전도성을 제어할 수 있습니다. 이러한 재료는 구리, 금 등과 같은 금속과 유리와 같은 절연체 사이의 전기 전도성을 가지고 있어 ‘반도체(semiconductor)’라는 이름이 붙었습니다. 이들은 4eV 미만(약 1eV)의 에너지 갭을 가지고 있습니다. 고체 물리학에서, 이 에너지 갭 또는 밴드 갭은 전자 상태가 금지된 전자가의 밴드와 전도 밴드 사이의 에너지 범위를 의미합니다. 전도체와 달리 반도체의 전자들은 밴드 갭을 넘어 전도 밴드에 도달하기 위해 에너지(예: 이온화 방사능)를 얻어야 합니다. 반도체의 특성은 전자가 밴드와 전도 밴드 사이의 에너지 갭에 의해 결정됩니다.
반도체의 주요 특징
반도체는 전도체와 절연체 사이의 전도성을 가지며, 도핑, 온도, 적용된 전기장에 의해 그 전도성이 조절됩니다. 전자 장치에 광범위하게 사용되는 반도체의 핵심 특징은 다음과 같습니다.
가변 전도성: 반도체는 특정 조건에서 전기를 전도하도록 만들 수 있으며, 빛이나 열에 노출될 때와 같은 조건에서는 이를 실현합니다. 또한, 다른 조건에서는 절연체로 작동할 수도 있습니다.
밴드갭: 반도체는 밴드갭을 가지고 있으며, 이는 전자가 전자가 밴드에서 전도 밴드로 이동하는 데 필요한 에너지를 의미합니다. 밴드갭의 크기는 반도체가 전도체가 되기 위해 필요한 에너지를 결정합니다.
도핑: 반도체는 전기적 특성을 변경하기 위해 불순물로 도핑될 수 있습니다. 도핑은 재료에 추가 전자 또는 “홀”을 도입하여 전도성을 증가시키거나 감소시킵니다.
온도 의존성: 반도체의 전기 전도성은 온도에 크게 의존합니다. 온도가 증가함에 따라 재료의 전도성은 일반적으로 증가합니다.
광 감도: 일부 반도체는 빛에 민감하며, 광전지, 광센서, LED와 같은 응용 분야에 사용될 수 있습니다.
소수 캐리어: 반도체에서 전자와 홀은 소수 캐리어로 알려져 있습니다. 이러한 캐리어는 원하는 전기적 특성을 생성하기 위해 조작 및 제어될 수 있습니다.
주요 반도체의 종류 및 특성
다음은 3가지 본질적 반도체와 2가지 p형 및 n형 반도체, 그리고 4가지 주요 특성에 대한 표입니다:
반도체 타입 밴드 갭(eV) 전자 이동도(cm²/Vs) 홀 이동도(cm²/Vs) 열 전도도(W/mK)
실리콘(Si) 본질적 1.12 1500 450 150
게르마늄(Ge) 본질적 0.67 3900 1900 60
갈륨 비소(GaAs) 본질적 1.43 8500 400 46
붕소 도핑된 실리콘(p-Si) p형 1.12 1500 1800 150
인 도핑된 실리콘(n-Si) n형 1.12 1500 4500 150
알루미늄 도핑된 갈륨 비소(p-GaAs) p형 1.43 8500 200 46
실리콘 도핑된 갈륨 비소(n-GaAs) n형 1.43 8500 800 46
반도체의 분류
반도체는 전자적 특성에 따라 두 가지 기본 유형으로 분류됩니다:
본질적 반도체: 이들은 단일 원소(예: 실리콘, 게르마늄)로 만들어진 순수한 반도체로, 불순물로의 의도적인 도핑이 없습니다. 본질적 반도체는 전자가 밴드와 전도 밴드에서 특정 수의 전자를 가지고 있습니다. 그들은 가열될 때 전기를 전도하며, 일부 전자는 그들의 결합에서 벗어나 전도 밴드에서 자유 전자가 됩니다.
외부적 반도체: 이들은 전자적 특성을 변경하기 위해 의도적으로 불순물로 도핑된 불순한 반도체입니다. 외부적 반도체는 두 가지 유형으로 더 세분화될 수 있습니다:
p형 반도체: p형 반도체에서는 붕소와 같은 불순물 원자가 반도체 재료에 도입됩니다. 이 불순물은 반도체 재료보다 적은 원소 전자를 가지고 있어, 전자가 밴드에서 “홀”(전자의 부재)이 생성됩니다. 이 홀은 양의 전하 운반체처럼 전류를 전도할 수 있어, 재료에 p형 지정이 됩니다.
n형 반도체: n형 반도체에서는 인과 같은 불순물 원자가 반도체 재료에 도입됩니다. 이 불순물은 반도체 재료보다 많은 원소 전자를 가지고 있어, 전도 밴드에 과잉 전자가 생성됩니다. 이러한 과잉 전자는 음의 전하 운반체처럼 전류를 전도할 수 있어, 재료에 n형 지정이 됩니다.
