반도체의 종류

반도체의 전기전도도는 위의 특성에 의해 도체보다는 낮고 부도체보다는 작다. 하지만 이것이 반도체가 전도도를 자유롭게 조절하게 되는 원인은 아니다. 

 

위의 자료의 전기전도도의 특징에서도 볼 수 있듯 부도체, 도체는 전도도가 일정한 편이다. 하지만 반도체(Ge, Si, GaAs...)들은 전도도의 폭이 상대적으로 넓다. 전기 전도도는 트렌지스터나 다이오드 등에서 자유전자의 생성과 컨트롤 하는 정도에 관계하게 되고 결과적으로는 소자의 특성을 발현시키는 가장 핵심적인 원리가 된다.

반도체의 전기전도도의 조절을 가능하게 하는 핵심적인 요소는 반도체 물질 그 자체가 아닌 도핑(doping)이라는 기술에 있다. 순수한 Si결정의 경우 전도도는 10¯⁴ S/cm 정도이다. 하지만 위의 그림처럼 ⅣA족(4가)인 실리콘에 ⅢA족(3가) B, Al같은 원소나 ⅤA족(5가)인 P, As, Sb를 치환하게 되면 공유결합에서 자유전자 1개가 비거나 1개가 늘어난다. 일반적으로는 B나 P, As 등의 원소를 집어넣어 자유전자의 양을 조절하게 된다. 

 

자유전자가 남는 경우를 n-type, 양공이 남는 경우를 p-type 반도체라고 하며 의도적인 전류의 정류작용이나 스위칭 작용을 위해 이러한 도핑을 시도한다. 이러한 도핑을 통해 반도체는 VB, CB 사이에 여분의 전자를 가지게 되고 이는 전자가 넘어야 하는 에너지를 줄이기에 자유전자 혹은 양공 (앞으로는 전하를 운반한다는 의미로 캐리어로 칭한다)의 형성을 유도하게 된다. 

 

본격적으로 반도체의 종류에 대해서는 여러가지 분류가 가능하지만 대체로 원소 구성과 물질에 의해 나뉘어 진다. 구성하는 물질이 단일원소이면 일반적으로 Si, Ge를 기반이고 도핑 된 반도체를 외인성 반도체 그렇지 않은 반도체를 진성 반도체로 분류한다. 

 

화합물 반도체의 경우 Si, Ge를 넘어서 2개 이상의 원소들로 구성된 반도체를 의미하며 대체로 2원소 (SiC, MoS2) 반도체의 활용이 많다. 페로브스카이트 태양전지의 반도체 구성도 화합물 반도체로 분류되며 기존 Si반도체의 단점을 메꾸는 형태로 사용되고 있다.

 

유기반도체의 경우는 카본 나이트라이드나 안트라센같이 유기(C, N, H)로 이루어져 있지만 반도체적인 특징을 가진 반도체를 말한다. 

 

특히 화합물 반도체의 경우 기존 Si, Ge에 비해서 전하 이동도나 밴드갭의 측면에서 유리한 측면이 있어 작아지는 반도체 pitch의 한계점을 돌파할 방법으로서 연구가 진행되고 있다. 

 

 

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]