반도체의 특성

앞선 반도체의 정의에서와 마찬가지로 가장 중요한 반도체의 특성은 공학적으로 전기전도도를 조절 가능하다는 것이다. 이를 위해하기 위해서는 물질의 띠 이론과 전기전도도간의 관계를 이해해야 한다. 

 

고체물리학에서는 원자 하나가 가지는 1s, 2s 오비탈들이 모여 일정한 띠를 형성한다고 이해한다. 주양자수가 높은 (n=2,3..) 전자 들은 원자핵에 이끌려 원자 주위에서 특정한 오비탈을 형성하는데, 만일 같은 원자가 수 많이 모여있다면 그 전자들이 존재할 수 있는 에너지 구역은 띠의 형태를 이루게 된다. 

Orbital structure of a single atom and energy band of solid

이때 내부의 전자가 이루는 띠중 가장 높은 띠를 가전자띠 (Valence Band, VB)라고 하고 원자가 전자로 이루어져 상대적으로 자유롭게 전자가 이동하는 띠는 전도띠 (Conduction Band, CB) 라고 한다. 도체 내부에서의 전하의 이동은 대부분 자유전자(electron) 혹은 양공(hole)에 의해 이루어 지므로 VB에서 CB로 전자가 이동해야 전류가 흐를 수 있다.

(a) Energy bands and bandgap of Al, (b) Na, (c) Si, and (d) SiO2.

이러한 띠 이론에 의해 물질은 도체(금속), 반도체, 부도체로 나뉘어 지는데 이는 위에 나타난 물질 간의 띠 구성에 의해 이러한 특성을 가진다. 예를 들어 Al과 Na같은 금속들은 VB와 CB가 결합되어 있어 자유전자가 이동이 자유롭기에 자유전자(electron)와 양공(hole)의 짝을 형성하기 유리하다. 하지만 Si의 예시에서 볼 수 있듯이 반도체는 VB와 CB간에 차이가 상대적으로 큰 편이고 SiO2같은 부도체의 경우에는 이 간격이 매우 크기에 쉽게 전자가 분리되지 않는다. 

Movement of an electron hole in a crystal lattice / Encyclopædia Britannica, Inc.

반도체와 부도체에서는 대체로 공유결합과 이온결합을 통해 결정 내부의 결합을 형성하는데 이러한 경우 자유전자가 분리되는데는 상대적으로 많은 에너지가 필요하다. 만일 높은 에너지가 가해진다면 전자는 원자핵의 구속력을 이겨낼만한 에너지를 가지게 되고 자유전자가 되어 CB로 이동하게 된다. CB로 이동한 전자가 원래 존재하던 자리는 VB에 비어지게 되고 결국 VB는 +|e| 의 전하를 가지는 양공을 형성하게 된다. 이후 자유전자는 다른 위치의 양공에 결합하여 안정적으로 변하고 다른 전자가 다시 양공을 발생시키는 과정을 이어나가 결국 전자와 양공에 의해 전하가 이동하게 된다. 결국 반도체(및 부도체)에서는 이러한 메커니즘을 통해 전기 전도도가 결정되게 된다. 

 

 

Reference

 

1. Britannica, T. Editors of Encyclopaedia (2021, March 5). semiconductor. Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/semiconductor

 

2. Aakash class, IIT JEE Study Material, Semiconductor.

https://byjus.com/jee/semiconductors/

 

3. 진종문 교사, SK 하이닉스 뉴스룸(2019), [반도체 특강] 전자의 존재와 자유전자의 생성에 대하여.

https://news.skhynix.co.kr/post/presence-of-electrons-and-free-electrons

 

4. Hong Xiao, Introduction to semiconductor technology 2nd ed (2012).

 

5. 이건재, IBKS Issue Report (2021-4-13), 전기차 보급 확대를 기다리는 화합물 반도체 [IT(소재,부품,장비)/스몰캡]