반도체 기초

반도체 기초

반도체 소재는 트랜지스터부터 전화기, 컴퓨터, 인터넷에 이르기까지 모든 전자 장치의 기본 구성 요소입니다.

이 튜토리얼에서는 반도체 기본, 물리학, 절연체와 도체 간의 차이점 뒤에 있는 개념을 살펴보겠습니다.

저항이 전기 또는 전자 회로의 가장 기본적인 수동 부품이라면 반도체 다이오드는 가장 기본적인 능동 부품으로 간주해야 합니다. 그러나 저항기와 달리 다이오드는 지수적 IV 관계를 가지므로 인가된 전압에 대해 선형적으로 동작하지 않으므로 저항기에서처럼 옴의 법칙을 사용하여 간단히 설명할 수 없습니다.

다이오드는 전류가 한 방향으로만 흐르도록 허용하는 기본 단방향 반도체 장치로, 단방향 전기 밸브처럼 작동합니다(순방향 바이어스 조건). 그러나 신호 또는 전력 다이오드의 작동 방식을 살펴보기 전에 먼저 반도체의 기본 구성 및 개념을 이해해야 합니다.

다이오드는 한쪽 끝에는 양의 "P 영역"이 있고 다른 쪽 끝에는 음의 "N 영역"이 있고 도체와 절연체 사이의 저항 값을 갖는 단일 반도체 재료로 만들어 집니다. 그런데 '반도체' 재료란 무엇일까요? 먼저 무엇이 도체 나 절연체를 만드는지 살펴보겠습니다 .

 

비저항

전기 또는 전자 부품이나 장치의 전기 저항은 일반적으로 이를 통해 흐르는 전류에 대한 전압 차이의 비율(기본 옴의 법칙 원리)로 정의됩니다. 저항을 측정으로 사용할 때의 문제점은 저항이 측정되는 재료의 물리적 크기와 해당 재료를 구성하는 재료에 따라 크게 달라진다는 것입니다. 예를 들어, 재료의 길이를 늘리면(더 길게 만드는 경우) 재료의 저항도 그에 비례하여 증가합니다.

마찬가지로, 직경이나 크기를 늘리면(더 두꺼워지면) 저항 값이 감소합니다. 따라서 우리는 크기나 모양에 관계없이 전류 흐름을 전도하거나 반대하는 능력을 나타내는 방식으로 재료를 정의할 수 있기를 원합니다.

이 특정 저항을 나타내는 데 사용되는 수량을 저항률 이라고 하며 그리스 기호 ρ ( Rho )가 제공됩니다. 저항률은 옴-미터( Ω.m ) 단위로 측정됩니다 . 저항률은 전도도와 반대입니다.

다양한 재료의 저항률을 비교하면 아래와 같이 크게 도체 , 절연체 , 반도체의 세 가지 그룹으로 분류할 수 있습니다.

비저항 차트

유리와 석영 사이의 절연체 저항률에 대한 훨씬 더 큰 여유와 비교하여 은과 금과 같은 전도체의 저항률 사이에는 매우 작은 여유가 있다는 점에 유의하십시오. 이러한 저항률의 차이는 금속이 절연체보다 훨씬 더 나은 열 전도체이기 때문에 주변 온도에 부분적으로 기인합니다.

지휘자

위에서 우리는 이제 도체가 매우 낮은 저항률 값(보통 미터당 마이크로옴)을 갖는 재료라는 것을 알고 있습니다. 이 낮은 값을 통해 기본 원자 구조 내에 떠다니는 많은 자유 전자가 있기 때문에 전류를 쉽게 전달할 수 있습니다. 그러나 이러한 전자는 전자의 움직임을 촉진할 수 있는 요소, 즉 전압이 있는 경우에만 도체를 통해 흐릅니다.

양전압 전위가 물질에 가해지면 이러한 "자유 전자"는 모원자를 떠나 물질을 통해 함께 이동하여 전자 드리프트(보다 일반적으로 전류로 알려져 있음)를 형성합니다. 이러한 전자가 도체를 통해 얼마나 "자유롭게" 이동할 수 있는지는 전압이 가해질 때 구성 원자에서 얼마나 쉽게 분리될 수 있는지에 따라 달라집니다. 그러면 흐르는 전자의 양은 도체의 저항률에 따라 달라집니다.

좋은 도체의 예로는 일반적으로 구리, 알루미늄, 은과 같은 금속 또는 탄소와 같은 비금속이 있습니다. 이러한 물질은 외부 "원자 껍질" 또는 고리에 전자가 거의 없어 원자 궤도에서 쉽게 빠져나오기 때문입니다.

전기 케이블은
도체
와 절연체를 사용합니다.

이를 통해 다른 원자와 결합할 때까지 물질을 통해 자유롭게 흐르게 하여 물질을 통해 "도미노 효과"를 생성하여 전류를 생성합니다. 구리와 알루미늄은 그림과 같이 전기 케이블에 사용되는 주요 도체입니다.

일반적으로 대부분의 금속은 미터당 마이크로옴(μΩ.m) 정도의 매우 작은 저항 값을 갖기 때문에 우수한 전기 전도체입니다.

 

구리 및 알루미늄과 같은 금속은 전기 전도성이 매우 우수하지만 여전히 전자 흐름에 대한 저항이 있어 결과적으로 완벽하게 전도되지 않습니다.

전류를 통과시키는 과정에서 손실되는 에너지는 열의 형태로 나타나며, 이는 주변 온도에 따라 도체의 저항률이 증가함에 따라 도체, 특히 저항기가 뜨거워지는 이유입니다.

절연체

반면에 절연체는 도체와 정반대입니다. 그들은 일반적으로 비금속 물질로 만들어지며, 외부 원자가 껍질의 전자는 양전하를 띤 내부 핵에 강하게 끌리기 때문에 기본 원자 구조 내에서 떠다니는 "자유 전자"가 거의 없거나 전혀 없습니다.

즉, 전자는 모원자에 달라붙어 자유롭게 움직일 수 없습니다. 따라서 잠재적인 전압이 물질에 가해지면 움직일 수 있는 "자유 전자"가 없기 때문에 전류가 흐르지 않고 이러한 물질에 절연성을 부여합니다. 속성.

또한 절연체는 미터당 수백만 옴의 매우 높은 저항을 가지며 일반적으로 일반적인 온도 변화에 영향을 받지 않습니다(매우 높은 온도에서는 목재가 숯이 되어 절연체에서 도체로 변하지만). 좋은 절연체의 예로는 대리석, 용융 석영, PVC 플라스틱, 고무 등이 있습니다.

절연체는 전기 및 전자 회로 내에서 매우 중요한 역할을 합니다. 왜냐하면 절연체가 없으면 전기 회로가 단락되어 작동하지 않기 때문입니다. 예를 들어, 유리나 도자기로 만든 절연체는 가공 송전 케이블을 절연하고 지지하는 데 사용되며 에폭시 유리 수지 재료는 인쇄 회로 기판, PCB 등을 만드는 데 사용되며 PVC는 그림과 같이 전기 케이블을 절연하는 데 사용됩니다.

반도체 기초

실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs)와 같은 반도체 재료는 "도체"와 "절연체" 사이의 중간 어딘가에 전기적 특성을 가지고 있습니다. 그것들은 좋은 전도체도 아니고 좋은 절연체도 아닙니다(그래서 "반도체"라고 부릅니다). 원자가 "결정 격자"라고 불리는 결정 패턴으로 밀접하게 그룹화되어 있기 때문에 "자유 전자"가 거의 없지만 전자는 여전히 흐를 수 있지만 특수한 조건에서만 가능합니다.

전기를 전도하는 반도체의 능력은 특정 공여체 또는 수용체 원자를 이 결정 구조에 대체하거나 추가하여 정공보다 더 많은 자유 전자를 생성하거나 그 반대로함으로써 크게 향상될 수 있습니다. 이는 기본 재료에 실리콘이나 게르마늄 등의 다른 원소를 소량 추가하는 것입니다.

그 자체로 실리콘과 게르마늄은 고유 반도체로 분류됩니다. 즉, 화학적으로 순수하고 반도체 물질만 포함하고 있습니다. 그러나 이 고유한 반도체 물질에 첨가되는 불순물의 양을 조절함으로써 전도성을 조절하는 것이 가능합니다. 도너(donor) 또는 억셉터(acceptor)라고 불리는 다양한 불순물을 이 고유 물질에 첨가하여 각각 자유 전자 또는 정공을 생성할 수 있습니다.

반도체 원자에 도너 또는 억셉터 원자를 추가하는 과정(반도체 원자 1,000만개(또는 그 이상)당 불순물 원자 1개 정도)를 도핑 이라고 합니다 . 도핑된 실리콘은 더 이상 순수하지 않기 때문에 이러한 도너 및 억셉터 원자를 총칭하여 "불순물"이라고 하며, 이러한 실리콘 재료에 충분한 수의 불순물을 도핑함으로써 N형 또는 P형으로 만들 수 있습니다. 반도체 소재.

지금까지 가장 일반적으로 사용되는 반도체 기초재료는 실리콘 이다 . 실리콘은 가장 바깥 껍질에 4개의 원자가 전자를 갖고 있으며, 이를 이웃 실리콘 원자와 공유하여 8개의 전자로 구성된 완전한 궤도를 형성합니다. 두 개의 실리콘 원자 사이의 결합 구조는 각 원자가 이웃과 하나의 전자를 공유하여 결합을 매우 안정적으로 만듭니다.

실리콘 결정 주위를 이동할 수 있는 자유 전자가 거의 없기 때문에 순수한 실리콘(또는 게르마늄) 결정은 좋은 절연체이거나 최소한 매우 높은 값의 저항기입니다.

실리콘 원자는 명확한 대칭 패턴으로 배열되어 결정성 고체 구조를 만듭니다. 순수한 실리카 결정(이산화규소 또는 유리)은 일반적으로 고유 결정(불순물이 없음)이므로 자유 전자가 없다고 합니다.

그러나 단순히 실리콘 크리스탈을 배터리 공급 장치에 연결하는 것만으로는 배터리 공급 장치에서 전류를 추출하는 데 충분하지 않습니다. 이를 위해서는 실리콘 내에 "양극"과 "음극"을 생성하여 전자가 흐르게 하고 이에 따라 전류가 실리콘 밖으로 흘러나오게 해야 합니다. 이러한 극은 실리콘에 특정 불순물을 도핑하여 생성됩니다.

실리콘 원자 구조

위의 다이어그램은 '보통' 순수 실리콘 결정의 구조와 격자를 보여줍니다.

N형 반도체 기초

실리콘 결정이 전기를 전도하려면 비소, 안티몬 또는 인과 같은 불순물 원자를 결정 구조에 도입하여 외부로 만들어야 합니다(불순물이 추가됨). 이 원자는 가장 바깥쪽 궤도에 5개의 외부 전자를 갖고 있어 이웃 원자와 공유하며 일반적으로 "5가" 불순물이라고 합니다.

이를 통해 5개의 궤도 전자 중 4개가 인접한 실리콘 원자와 결합하여 전압이 가해질 때 하나의 "자유 전자"가 이동하게 됩니다(전자 흐름). 각 불순물 원자가 하나의 전자를 "기부"하므로 5가 원자는 일반적으로 "공여체"로 알려져 있습니다.

인 (기호 P)뿐만 아니라 안티몬 (기호 Sb)도 실리콘에 대한 5가 첨가제로 자주 사용됩니다. 안티몬은 핵 주위의 5개 껍질에 51개의 전자가 배열되어 있으며 가장 바깥쪽 궤도에는 5개의 전자가 있습니다. 생성된 반도체 기본 물질은 각각 음전하를 갖는 전류 운반 전자를 초과하므로 "다수 캐리어"라고 불리는 전자가 있는 N형 재료라고 하며, 결과로 생성된 정공을 "소수 캐리어"라고 합니다.

외부 전원에 의해 자극을 받으면 이 자극으로 인해 실리콘 원자에서 유리된 전자가 도핑된 안티몬 원자에서 사용 가능한 자유 전자로 빠르게 대체됩니다. 그러나 이 작용은 여전히 ​​도핑된 결정 주위에 여분의 전자(자유 전자)가 떠다니게 하여 음전하를 띠게 합니다.

그런 다음 반도체 재료는 도너 밀도가 억셉터 밀도보다 클 때 N형으로 분류됩니다. 즉, 홀보다 전자가 더 많아 그림과 같이 음극이 생성됩니다.

반도체 기초 - 안티몬 원자 및 도핑

위의 다이어그램은 공여체 불순물 원자 안티몬의 구조와 격자를 보여줍니다.

P형 반도체 기초

다른 방향으로 가서 가장 바깥쪽 궤도에 3개의 원자가 전자만 사용할 수 있는 알루미늄, 붕소 또는 인듐과 같은 결정 구조에 "3가"(3전자) 불순물을 도입하면 네 번째 닫힌 결합은 다음과 같이 될 수 없습니다. 형성되었습니다. 따라서 완전한 연결이 불가능하며, 전자가 효과적으로 누락되는 결정 구조에 정공이라고 알려진 풍부한 양으로 하전된 캐리어가 반도체 재료에 제공됩니다.

이제 실리콘 결정에 구멍이 생기기 때문에 이웃한 전자가 그 구멍으로 끌려들어가서 구멍을 채우려고 합니다. 그러나 정공을 채우는 전자는 이동하면서 그 뒤에 또 다른 정공을 남깁니다. 이것은 차례로 또 다른 전자를 끌어당겨 그 뒤에 또 다른 정공을 생성하고, 정공이 결정 구조를 통해 양전하로 움직이는 것처럼 보입니다(기존 전류 흐름).

이러한 정공의 이동으로 인해 실리콘의 전자가 부족해 전체 도핑된 결정이 양극으로 변하게 됩니다. 각 불순물 원자가 정공을 생성함에 따라 3가 불순물은 지속적으로 추가 전자 또는 자유 전자를 "수용"하므로 일반적으로 " 수용체 "로 알려져 있습니다.

붕소 (기호 B)는 핵 주위의 3개 껍질에 5개의 전자만 배열되어 있고 가장 바깥쪽 궤도에는 3개의 전자만 있기 때문에 일반적으로 3가 첨가제로 사용됩니다. 붕소 원자를 도핑하면 전도가 주로 양전하 캐리어로 구성되어 양극 정공을 "다수 캐리어"라고 하고 자유 전자를 "소수 캐리어"라고 하는 P형 물질이 생성됩니다.

그런 다음 반도체 기본 재료는 수용체 밀도가 도너 밀도보다 높을 때 P형으로 분류됩니다. 따라서 P형 반도체에는 전자보다 정공이 더 많습니다.

반도체 기초 - 붕소 원자 및 도핑

위의 다이어그램은 수용체 불순물 원자인 붕소의 구조와 격자를 보여줍니다.

반도체 기본 요약

N형(예: 안티몬으로 도핑됨)

5가 불순물 원자(도너)가 추가되어 "전자" 이동에 의해 전도되는 물질이므로 N형 반도체 라고 합니다 .

N형 반도체에는 다음이 있습니다.

• 1. 기증자는 긍정적인 평가를 받습니다.
• 2. 자유전자의 수가 많다.
• 3. 자유전자의 수에 비해 정공의 수가 적다.
• 4. 도핑은 다음을 제공합니다.
  •  양전하를 띤 기증자.
  •  음으로 하전된 자유 전자.
• 5. 에너지 공급은 다음을 제공합니다.
  •  음으로 하전된 자유 전자.
  •  양으로 하전된 구멍.

P형(예: 붕소로 도핑됨)

3가 불순물 원자(억셉터)가 추가되어 "정공" 이동에 의해 전도되는 물질이므로 P형 반도체 라고 합니다 .

이러한 유형의 자료는 다음과 같습니다.

• 1. Acceptor는 음전하를 띠고 있습니다.
• 2. 구멍이 많습니다.
• 3. 정공의 수에 비해 자유전자의 수가 적다.
• 4. 도핑은 다음을 제공합니다.
  •  음전하를 띤 수용체.
  •  양으로 하전된 구멍.
• 5. 에너지 공급은 다음을 제공합니다.
  •  양으로 하전된 구멍.
  •  음으로 하전된 자유 전자.

P형과 N형은 전체적으로 전기적으로 중성입니다.

안티몬(Sb)과 붕소(B)는 다른 유형의 재료에 비해 사용감이 더 좋기 때문에 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 도핑제입니다. 그들은 또한 "준금속"으로 분류됩니다. 그러나 주기율표는 가장 바깥쪽 궤도 껍질에 3개 또는 5개의 전자가 있는 여러 다른 화학 원소를 함께 그룹화하여 도핑 재료로 적합합니다.

이러한 다른 화학 원소는 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge)의 기본 재료에 대한 도핑제로 사용되어 전자 반도체 부품, 마이크로프로세서 및 태양전지 응용 분야에 사용되는 다양한 유형의 기본 반도체 재료를 생산할 수도 있습니다. 이러한 추가 반도체 재료는 아래에 나와 있습니다.

반도체 주기율표

요소 그룹 13	요소 그룹 14	요소 그룹 15
외부 껍질에 있는 3개의 전자 (양전하)	외부 껍질의 전자 4개 (중성 충전)	외부 껍질의 전자 5개 (음전하)
(5) 붕소(B)	(6) 탄소(C)
(13) 알루미늄(Al)	(14) 실리콘(Si)	(15) 인(P)
(31) 갈륨(Ga)	(32) 게르마늄(Ge)	(33) 비소(As)
		(51) 안티몬(Sb)

반도체와 다이오드에 대한 다음 튜토리얼에서는 두 개의 반도체 기본 재료인 P형 과 N형 재료를 결합하여 다이오드를 생성하는 데 사용할 수 있는 PN 접합을 형성하는 방법을 살펴보겠습니다 .