도체 부도체 반도체란

 

 

도체 부도체 반도체란

 도체 부도체 반도체에 대해 알아보겠습니다.

 먼저 반도체란 일반적으로 물질로서는 '전기를 잘 통하는 도체와 전기가 통하지 않는 부도체 사이 정도의 전기를 통하게 하는 성질(Conductivity)을 갖는 물질'이라고 말하는데, 이것보다는 도체와 부도체 사이의 전도도를 가지면서 인위적으로 조절하는 게 가능한 물질이라고 하는 게 정확하겠습니다.

 전도도가 클수록 전기장 내에 큰 전류를 흐르게 하고, 전도도가 낮으면 전류가 거의 흐르지 않아 부도체라고 할 수 있습니다

 

전도도와 전하 캐리어

 전도도는 전기를 나르는 전하 캐리어가 많을수록 전하 이동 도가 클수록 커집니다.
 전기를 띤 입자로 전자도 전하 캐리어인데, 일반적으로 전하 캐리어는 conduction band에 있는 전자, 또는 valence band에 있는 Hole을 이야기합니다.

 전자가 꽉 채워져 있는 에너지 구간을 valence band라고 부르고, 전자가 채워지지 않은 구간은 conduction band, 두 개의 밴드 사이에 아무것도 존재하지 않는 구간을 energy band gap(에너지 밴드 갭)이라고 부릅니다.
 

 전기가 흐르기 위해서는 전자가 움직여야 하는데 valence band는 전자로 꽉 채워져 있어서 모두가 움직일 수 없는 상태이지만, conduntion band는 채워지지 않은 공간이 많은 상태인데도 움직일 전자가 없기 때문에 전기가 흐를 수 없는 상태입니다.

 그렇기 때문에 전기가 흐르기 위해서는 conduction band에 전자가 있거나, valence band에 빈 곳이 있어야 하는 것입니다.

Energy band gap

 energy band gap은 conduction band와 valence band 사이에 있는 구간으로 전자가 존재할 수 없는데, 전류가 흐르기 위해서는 valence band에 있는 전자가 energy band gap을 뛰어넘을 정도의 에너지를 빛이나 열, 전기 등 여러 가지 방법으로 얻고 conduction band로 올라가면 됩니다.

 그렇게 되면 valence band에 있던 전자가 conduction band로 올라가면서 남은 공간(hole)이 생기게 되고 전기장이 가해지면 전자가 이동을 할 수 있게 되어 전류가 흐르게 되는 것입니다.

valence band에 있는 전자를 conduction band로 올리는 수준을 조절하여 전기 전도도를 조절할 수 있습니다.
 

 energy band gap이 크거나 작다는 게 어떤 의미일까? energy band gap이 너무 크다면 valence band에서 conduction band로 뛰어넘어야 할 에너지를 주기가 어렵고 전자들이 쉽게 conduction band로 올라갈 수가 없습니다.

 이런 물질들은 전하 캐리어가 적어 전기를 통하지 않는 물질이 되고 이런 물질은 우리는 부도체나 절연체라고 부릅니다.

 반대로 energy band gap이 너무 작다면, 주변의 작은 에너지에 의해서도 valence band에서 conduction band로 뛰어넘을 수 있는 에너지를 쉽게 얻을 수 있기 때문에 인위적으로 에너지를 주지 않더라도 전하 캐리어가 충분히 많이 생겨나며 전류가 아주 잘 흐르는 물질로 우리는 도체라고 부르고 있습니다.
 

 앞에서 봤듯이 energy band gap이 큰 물질은 부도체, 작은 물질은 도체라고 부르는데 이것들과 다르게 적당한 수준의 energy band gap을 갖는 물질이 있는데 이런 물질들은 에너지를 조절하여 valence band에서 conduction band로 올라가는 전하 캐리어 수를 조절하고 전기 전도도를 바꿔줄 수 있습니다.

 이런 물질이 반도체입니다.

 

공유 결합

 이런 반도체는 주로 최외각에 네 개의 전자를 가지고 공유 결합을 하는 4족(Si, Ge 등) 원소들입니다.

 이렇게 외부 에너지에 의해 전하 캐리어의 숫자가 조절되는 반도체를 진성 반도체라고 부르는데 이런 진성 반도체는 외부 에너지에 의해서 valence band에 있는 전자가 conduction band로 올라가서 전하 캐리어가 되기 때문에 전자의 개수와 홀의 개수가 같은 상태입니다.
 

 
 진성 반도체와 다르게 반도체 물질에 다른 원자를 넣어 전하 캐리어의 숫자를 조절하는 반도체도 있는데 보통 4족 원소인 Si나 Ge에 5족 원소 (P 등)을 넣어주면 전자가 한 개 남는 상태가 되고, 이 남은 전자는 valence band에서 conduction band로 쉽게 올라가게 되어 전하 캐리어가 되는데 이런 경우 진성 반도체와 다르게 홀의 개수보다 전자의 개수보다 많게 됩니다.

 전자의 개수가 많다는 건 음전하가 많다는 것이고 negative 반도체, 즉 n-type 반도체라고 부릅니다.

 만약 3족 원소(B 등)를 넣게 되면 전자의 개수가 부족하게 되고 홀이 많아지는 형태가 되는데 홀이 많다는 건 양전하가 많다는 것이고 positive의 반도체, 즉 p-type 반도체라고 합니다.
 

 상용화되어 있는 Si, Ge 등의 4족 원소들이나 3족, 5족 반도체와는 다른 물질의 반도체도 최근에는 연구가 많이 되고 있는데, 카본 나노 튜브나 그래핀 등의 물질이 반도체 물질로 연구되고 있습니다.

 이런 반도체 물질에 전압이나 전류 같은 신호를 줘서 전하 캐리어의 숫자를 조절하고 전기전도도를 바꾸는 방식을 이용하여 특정 역할을 하도록 트랜지스터나 다이오드 등의 개별 부품을 제작하는데 이를 반도체 소자라고 일컬었으나, 최근에는 메모리 소자나 통신소자, 이미지 센서와 연산 등을 수행하는 로직 소자 등을 넣어 만드는 집적회로(Integrated Circuit, IC) 역시 반도체 소자로 불리고 있습니다

 

 

PN 정션 (PN Junction)과 제너 다이오드 (Zener diode)에 대해 알아보자