반도체의 특성과 기능

그러면 지금부터 반도체의 전기전도도를 어떻게 조절할 수 있는지 알아보자. 현재 가장 많이 사용되는 방법이 반도체물질에 불순물을 집어넣는 방법으로써, 집어넣어주는 불순물의 양을 조절함으로써 반 도체물질의 전기전도도를 조절하는 방법이다.
반도체물질을 이해하기 위해서는 원소와 원자의 구조에 대한 기본적인 지식이 필요하다. 지금부터 대표적인 반도체물질인 실리콘(Silicon)의 특성에 대해 알아보기로 한다.

최외각전자와 주기율표

물질을 계속해서 세분해보면 원자(atom)라는 아주 작은 입자가 되는데, 이 원자는 또 양성자, 중성자, 전자로 구성되어 있다. 그 모양을 보면 양성자와 중성자로 된 원자핵을 중심으로 전자(일렉트론)들이 일정한 궤도를 돌고 있는 모양이 된다. 이는 마치 지구나 화성이 태양 주위를 돌고 있는 태양계와 비슷하게 생겼다.

원자핵 주변을 돌고 있는 전자들은 일정한 궤도를 돌게 되는데 가장 바깥쪽 궤도를 돌 고 있는 전자를 최외각 전자라 고 한다.
특히 가장 바깥에 있는 이러 한 최외각 전자들은 8개를 채우려하는 성질이 있는데 이것 이 원자와 원자를 서로 결합시 키는 원동력이 되고 이렇게 해서 분자도 되고 또 분자들이 모여서 물질이 되는 것이다.
또한 최외각전자의 갯수는 원자핵의 양성자 갯수와 일치하는데, 1개에서부터 8개까지로 존재할 수 있 으며 최외각전자의 갯수가 같은 원자들끼리는 유사한 성질을 같게 된다. 이처럼 원자들을 최외각전자의 갯수에 따라 분류해놓은 표를 주기율표라고 한다. 주기율표에 따라 원자들은 I족에서부터 VIII족(또는 0 족)으로 구분되며, 실리콘의 경우 최외각전자가 4개이므로 IV족원소임을 알 수 있다.
또한, 붕소(B)원자는 주기율표상에서 보면 III족원소이며 따라서 최외각전자가 3개임을 알 수 있다.
마찬가지로 인(P)이나 비소(As)는 V족원소이며 따라서 최외각전자의 갯누는 5개가 되는 것이다.

진성반도체와 불순물반도체

그러면, 반도체가 만들어지는 실리콘단결정이란 어떤 성질을 갖는 것일까? 　
☞ 단결정 : 결정(crystal)은 형성방법에 따라 단결정과 다결정으로 분류된다. 단결정이란 시료 (試料)의 어느 부분을 보아도 결정축의 방향이 같은 것이고, 다결정이란이런 많은 단결정들이 여러방향으로 모여있는 것이다.
실리콘 단결정은 실리콘 원자가 규칙적 으로 늘어서 있다. 한개의 실리콘원자는 최외각에 4개의 전 자를 가지는 주기율표상의 IV족원소이며, 서로 이웃하는 전자끼리 굳게 결합하므로 써 결정을 이루게 된다. 이러한 결합을 공유결합이라고 한다.
이런 순수한 실리콘에서는 원자핵에 결 합되어 있는 전자가 움직일 수 없기 때문 에 실리콘 외부에서 전압을 걸어도 전류는 흐르지 않으며 이를 진성(Intrin-sic)반 도체라고 한다.
이처럼 부도체나 다를 바 없는 진성반도체에 특정불순물을 집어넣어 주면 전류가 흐르기 시작한다. 여기서 불순물은 전류의 근원, 즉 전류이라고 할 수 있으며 이렇게 불순물로 자신의 전기전도도를 조 절할 수 있는 반도체를 불순물(Extrinsic)반도체라고 한다. 불순물반도체에는 p-type과 n-type 두 가지가 있다.
순수한 실리콘, 즉 진성반도체에 주기 율표상의 III족원소를 소량 넣어주면 전자 가 비어있는 상태. 즉 정공(Hole)이 생긴 다. 이 상태에서 실리콘에 전압을 걸어주 면 전류가 흐르게 되는 것이다.
이를 p-type반도체 또는 p-type실리 콘이라고 한다.
반면에 주기율표상의 V족원소를 소량 넣어주면 전자가 남는 상태, 즉 잉여전자 가 생긴다. 이상태에서 실리콘에 전압을 걸어주면 제자리를 못찾은 이 잉여전자가 자유전자가 되며 전류가 흐르게 되는 것이다.
이를 n-type반도체 또는 n-type실리 콘이라고 한다.

출처: 한국반도체산업협회