결정체와 반도체에 대해 이해하기 - (1)반도체 재료

반도체 재료에 대해.

반도체는 금속과 절연체의 중간 정도의 전기전도도를 갖는 물질이다. 이들 물질의 전기전도도가 온도, 광학적인 여기상태 및 불순물 함유량에 따라 변할 수 있다는 사실은 알아둬야 한다. 왜냐하면 이와 같은 전기적 성질의 융통성 때문에 전자소자 연구를 위한 대상물질로 반도체 재료가 선정되기 때문이다.

 반도체 재료는 주기율표 상 IV족 및 그 근처 물질들이며, 단일 종류의 원자들로만 이루어져 있는 원소(elemental) 반도체의 종류에는 실리콘(silicon; Si)와 게르마늄(germanium; Ge)이 있다. 화합물(compound) 반도체는 주기율표 III족과 V족에 속하는 원달의 화합물 또는 일부 II 족과 VI 족에 속하는 원자들의 화합물, 혹은 IV족 원자들끼리의 화합물로 이루어져 있다.

 반도체는 종류가 매우 많으며 또한 여러 가지 종류의 특성을 나타내여, 소자나 회로 기술자들이 전자적인 기능을 설계하는 데 많은 다양성을 준다. 초기 반도체 발전에는 GE 가 많이 사용되었으나 현재는 Si가 대부분의 반도체 전자소자에 사용되어진다. 반도체는 정류소자, 트랜지스터 및 집적회로 소자에 많이 이용되어지고 있다. 화합물 반도체의 쓰임새는 고속 또는 빛을 방출 및 흡수하는데 필요한 전자소자에서 사용되어진다. 예를 들면 GaN, GaP, GaAs와 같은 2원소의 III-V족 화합물은 발광 다이오드에 이용 된다. 또한 GaAsP와 같은 3원소 및 InGaAsP와 같은 4원소의 화합물은 다양한 물질의 성질을 선택하는 데 기여한다.

형광물질은 텔레비전 화면에서 사용되어지는데 이때 쓰이는 반도체는 ZnS와 같은 II-VI족의 화합물 반도체이다. InSb,CdSE 또는 PbTe,HgCdTE 와 같은 화합물은 광검출기에서 사용되어지며 Si와 Ge 도 적외선 검출기와 방사늘 검출기로 사용된다. 건(Gunn) 다이오드는 마이크로파 전자소자로서 중요한데 이 때 쓰여지는 반도체는 GaAs나 InP로 만든다. 반도체 레이저에서 사용하는 화합물은 GaAs,AlGaAs나 3원소,4원소의 화합물로 사용한다.

 반도체는 에너지 대역간극(energy bandgap)을 통해 도체 및 절연체와 구분할 수 있는 성질을 갖는다. 추후 자세히 다루겠지만 이 성질은 반도체에서 흡수되거나 방출되는 빛의 파장을 결정한다. 예를 들면 GaP의 대역간극은 2.3eV로서 녹색파장을 내고 GaAs의 대역간극은 1.43eV로 근적외선의 파장을 낸다. 발광 다이오드나 레이저는 다양한 반도체 대역간극으로 인하여 적외선으로부터 가시광선에 이르는 넓은 파장을 만들어 낸다.

 불순물은 반도체에 있어 매우 중요하며 반도체 재료의 전자적 및 광학적 성질에 영향을 준다. 이 불순물은 정밀하게 제어된 양으로 첨가되어 진다. 불순물의 역할은 반도체의 전도도를 광범위하게 변화시키며 음(negative)전하 캐리어(carrier)에 의한 것에서 양(positive)전하 캐리어에 의한 것으로 전도과정의 성질을 바꾸는 역할도 한다. 예를 들면 100만분의 1에 상당하는 불순물의 농도가 시료 Si를 전류에 대한 불량도체에서 양도체로 바꾼다. 불순물 첨가의 조절과정을 도핑(doping)이라고 하며 추후 다시 자세히 다룰 예정이다.

 이상과 같은 반도체의 특성을 검토함에 있어서 이들의 원자배열을 분명히 알아야 한다. 왜냐하면 각 반도체에 있어서 원자의 성질과 특수한 배열을 알고 이 요인을 분석하여 극소량의 불순물 함유량의 변화만으로도 그 물질의 전기적 성질을 매우 크게 변동시킬 수 있기 때문이다. 그렇기 때문에 다음 장에서는 간단히 결정 구조에 대한 이야기를 해보겠다.