반도체 기초 (1)

반도체란?

 

반도체[Semiconductor]란, 일반적으로 “전기전도도가 도체와 부도체의 중간정도”되는 물질로서 半 + 導體 또는 SEMI + CONDUCTOR 라는 뜻을 지니고 있다.

순수 반도체는 부도체와 같이 전기가 거의 통하지 않지만, 어떤 인공적인 조작을 가하면 도체처럼 전기가 흐르기도 한다는 특징을 지닌다. 빛 혹은 열을 가하거나 특정 불순물을 주입하면 도체처럼 전기가 흐르게 되는데, 반도체와 도체의 다른 점은, 도체는 전기가 잘 통하지만 사람이 조절하기 어렵다는 것이다. 하지만 반도체는 어떤 인공적인 조작을 가하느냐에 따라 물질의 성질 조절이 용이한 장점을 지니고 있다.

https://www.samsungsemiconstory.com/kr/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4-%EC%89%BD%EA%B2%8C-%EC%95%8C%EA%B8%B0-1-%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4%EB%9E%80-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%BC%EA%B9%8C%EC%9A%94/

[반도체 쉽게 알기 #1] 반도체란 무엇일까요? – 삼성전자 반도체 뉴스룸

 

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반도체 소자들에게 있어서 내부의 전자, 정공들이 어떻게 움직이게 되고 결국 어떠한 메커니즘을 통해 전류가 흐르게 되는지는 매우 중요하다. 또한 실제로도 전류에 대한 변화를 주기 위해 많은 연구들이 진행되고 있는데, 이 때 이러한 반도체 소자의 전류 매커니즘을 완벽히 파악하기 위해선 필수적으로 알아야 하는 개념이 있다.

 

이 개념을 확실하게 이해한다면 반도체 소자 내의 에너지 레벨에서 전자와 정공의 농도를 파악할 수 있고 결국 전류 흐름의 메커니즘을 확실하게 알 수 있게 된다.

 

1. 최외각전자

 

최외각전자는 소스와 드레인 단자 사이의 채널을 만들거나, 플로팅 게이트로 진입하는 전자(데이터 저장)들, 혹은 소스에서 드레인으로 이동하는 전자(Tr을 ON)들을 공급하는 원천이 된다. 이때 원자들은 정해진 규칙(양자화 원칙)에 따라 전자들을 차례로 공급하고, 전자들 역시 에너지 밴드(Energy Band)와 에너지 갭(Energy Gap)이라는 원칙이 있기 때문에 이들의 순서를 지켜가며 이동한다. 그중 반도체의 물리 현상에 핵심적인 영향을 끼친 ①에너지 밴드 및 ②에너지 밴드와 밴드 사이를 형성하는 에너지 갭을 살펴보겠다.

 

2. 에너지 밴드

 

반도체에서는 양자화되어 있는 에너지 밴드(띠) 중 최상위 에너지를 가진 밴드를 전도대(도전띠, Conduction band)라고 하고, 전도대 바로 아래의 에너지 밴드를 가전자대(혹은 원자가띠, Valence band)라고 한다. 전도대는 자유전자가 원자에 얽매이지 않고 흐를 수 있는 상태 즉 최외각전자가 원자에서 탈출한 상태이고, 가전자대는 전자가 원자를 탈출하지 못하고 원자의 최외각궤도 상에 있는 상태를 의미한다.

반도체에서는 전자가 최외각 껍질에 있는 상태만을 다루므로, 에너지 밴드로는 전도대와 가전자대(실리콘 주양자수인 경우, M궤도)만을 구분하여 검토한다. 실질적으로는 전도대란 원자 밖의 세상이므로 원자 내의 에너지 밴드에 속한다고 볼 수 없다. (도체에서는 가전자대와 전도대가 겹쳐 있어서 가전자대에 있는 전자도 전도대에 있는 전자처럼 흐르게 된다.) 에너지 밴드 영역의 크기는 최소 에너지량이 있어서 최소 에너지량 대비 몇 배가 되는지의 여부로 확인할 수 있다.

 

3. 에너지 밴드갭

 

에너지 밴드갭은 에너지 밴드와 밴드를 구분하고 분리하는 역할을 하는데, 다른 말로는 금지대역 혹은 금지대역폭이라고도 한다. 에너지가 양자화된 개념을 기초로 볼 때, 밴드갭은 에너지와 에너지 사이의 에너지가 없는 상태를 의미한다. 에너지 밴드갭은 실질적으로 전자들이 존재하지 않는 영역이다. (전자들을 존재하게 하는 에너지가 없으니 전자들이 있을 수 없다) 밴드갭도 갭의 크기에 따라 에너지량이 달라지는데, 그 크기는 밴드갭의 상부 에너지 대역의 가장 아랫부분 에너지 레벨에서 밴드갭의 하부 에너지 대역의 가장 윗부분 에너지 레벨을 빼면 된다. 즉 밴드갭도 최소 에너지량 대비 몇 배가 되는지로 확인이 가능하다. 이렇게 계산해보니 도체는 최외각밴드갭이 없으며, 절연체는 밴드갭이 매우 높은 상태라고 볼 수 있다. 반도체는 도체와 절연체의 중간이 되고, 특히 실리콘의 밴드갭은 1.12eV가 된다. 그래서 밴드갭의 의미는 반도체에서 자유전자를 뽑아내는 데 얼만큼의 에너지가 필요한지를 나타내는 척도라고 할 수 있다. 밴드갭의 에너지(Eg)는 적정량이 가장 좋다. 너무 크면 Tr을 ON시키기가 힘들고, 너무 작으면 Tr이 OFF되어야 할 상황임에도 불구하고 너무 쉽게 ON이 되어 Tr을 제어하기가 도리어 힘들어진다. 이런 의미에서 Si14는 밴드갭 측면에서도 적정 수준을 유지하는 환상적인 반도체 재질이 되겠다.

https://news.skhynix.co.kr/post/semiconductor-electronics-and-energy

[반도체 특강] 반도체 전자와 에너지

 

4. 페르미 준위

 

페르미 함수의 개념적인 의미는 에너지밴드 내에서 어떠한 에너지(E)가 있을 때, 전자가 채워질 확률을 의미한다. 예를 들어 축구 경기장을 생각해 보았을 때, 축구경기장 내에서 관중석 하나하나가 채워질 확률이라고 생각하면 간단하다.

 

페르미 함수를 수식과 그래프로 나타내면 위와 같다. 함수를 보면 알 수 있듯이, 특정 에너지 레벨에서 전자 또는 정공이 존재할 확률을 한번에 파악할 수 있다. f(E)가 의미하는 것은 특정 에너지 레벨에서 전자가 존재할 확률이기 때문에, 1-f(E)는 특정 에너지 레벨에서 전자가 존재하지 않을 확률을 의미하게 된다.

특정 에너지 레벨에서 전자가 존재하지 않을 확률=정공이 존재하는 확률

따라서 그래프는 f(E)가 1-f(E)와 대칭인 관계임을 알 수 있다. 이 때, 확률을 나타내는 것이므로 단위가 없는 특징을 알 수 있다.

 

*페르미 레벨(Fermi level)

그래프에서 보이는 0.5를 의미하는 부분. 해석하면, 전자가 채워질 확률이 50%인 지점

이러한 페르미 레벨은 에너지밴드 내에서 매우 중요하고, 실제 반도체 소자 내에서 페르미 레벨을 기준으로 전자와 정공의 농도를 결정하는데 중요한 기준이 되기 때문에 반도체 소자 내에선 필수적인 개념이라고 할 수 있다.

https://m.post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=30197751&memberNo=10728965 

페르미 레벨? DOS? 반도체 소자 내의 기본 개념 한번에 이해하기!