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  1. 2014.08.14 정류기와 제너 다이오드
  2. 2014.08.07 이단자접합 소자
  3. 2014.07.30 p-n 접합
  4. 2014.07.23 반도체의 전기적 성질
  5. 2014.07.16 반도체와 접합원리
  6. 2014.07.08 반도체의 일반적인 성질
  7. 2014.06.20 반도체 (Semiconductor)

정류기


이 형태의 p-n 접합 다이오드는 한쪽 방향으로는 전류에 대해서 낮은 저항이 걸리고, 반대방향의 전류에 대해서는 높은 저항이 걸리게 하여 특별히 교류를 정류하도록 설계되어 있다. 이러한 다이오드는 50~5만㎐에 이르는 주파수에서 작동하는 전력 정류 장치로 전력 소비능력은 0.1~10W이고 역방향 항복전압은 50~5,000V 이상이다. 고전압 정류기는 2개 또는 서로 연결된 그 이상의 p-n 접합으로 만들어졌다.

 

 

 

제너 다이오드


이 전압 조정기는 정격 항복전압을 만들기 위해서 불순물 분포가 정확하게 조절된 p-n 접합 다이오드이다. 이것은 항복전압이 0.1V에서 수천V에 이르는 범위를 가질 수 있도록 설계될 수 있다. 제너 다이오드는 역방향으로 작동하여 정전압원, 변동 전원장치의 기준 전압과 과도 전압, 전류에 대한 보호장치로 쓰인다.

 

 

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전기전도도가 도체와 절연체의 중간 정도인 결정형 고체들.
p-n접합 다이오드는 2개의 단자를 가진 고체소자이다. 불순물의 분포, 소자의 기하학적 구조 및 인가전압의 조건에 따라 접합 다이오드는 여러 가지 기능을 할 수 있다. 현재 정격전압이 1V 미만에서 2,000V 이상이고 정격전류가 1㎃ 미만에서 5,000A 이상인 다이오드들이 5만 가지 이상이나 있다. p-n 접합은 빛을 생성하고 감지할 수 있으며 복사 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.

 


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단결정 구조 내에서 불순물형이 받개(p-형)에서 주개(n-형)로 갑자기 변화하면 p-n 접합이 형성된다(→ 색인 : p-n 접합). p쪽에서는 양공이 주된 운반자이며, 따라서 이것은 다수 운반자라고 부른다. p쪽에서는 열에 의해서 생성된 전자도 얼마간 존재한다. 이들은 소수 운반자라고 한다. n쪽에서는 전자가 다수 운반자이고, 양공이 소수 운반자이다. 접합 근처는 자유전하 운반자가 없는 영역이다. 이 영역은 공핍층(depletion region)이라고 부르는데, 절연체처럼 행동한다.


p-n 접합의 가장 중요한 특징은 그것이 정류 작용을 한다는 것이다. 즉 전류가 한쪽으로만 흐르게 된다. 그림3은 대표적인 실리콘(규소) p-n 접합의 전류-전압 특성을 보여주고 있다. 순방향 인가전압이 p-n 접합에 걸리면(즉 2번째 상한에 나와 있는 것처럼 n쪽에 대해서 p쪽에 양의 전압이 걸리면), 대부분의 전하 운반자는 접합을 가로질러서 이동하고 그결과 많은 전류가 흐를 수 있다. 그러나 역방향 인가전압이 걸리면(3번째 상한), 불순물에 의해서 도입된 전하 운반자는 접합에서 멀어지는 방향으로 이동하기 때문에 처음에는 단지 작은 누설 전류만 흐른다.

 

▲ <사진> 전형적인 p-n 실리콘 접합의 전류-전압 특성. 인가전압의 순방향, 역방향 조건을 나타낸다.



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단결정은 원자가 3차원의 주기적 모양으로 배열된 결정을 말한다. 그림에서 보면, 순도가 매우 높고 불순물의 양은 무시할 정도인 순수한 규소(실리콘) 결정의 단순화된 2차원 구조를 나타내고 있다. 각각의 규소원자는 4개의 인접 원자로 둘러싸여 있다. 또 각 원자는 외곽에 4개의 전자를 가지고 있고, 이 전자를 4개의 인접 원자와 공유하고 있다. 두 핵이 전자를 서로 끌어당김으로써 두 원자가 묶여진다. 이 전자 공유는 공유 결합으로 알려져 있다.

 

▲ <사진 1> 반도체의 전기적 성질


저온에서 전자는 각각의 결정 내의 위치에 구속되어 있어서 전기전도에 이용될 수 없다. 고온에서는 열진동으로 일부의 공유 결합이 깨져서 자유전자가 생성된다. 전자가 일단 공유 결합으로부터 벗어나면 그 결합에는 전자 결핍이 생긴다. 이 결핍은 인접 전자 중의 하나에 의해서 채워질 수 있는데, 그결과 결핍 위치가 한 곳에서 다른 곳으로 이동한다. 따라서 이 결핍은 전자와 유사한 입자로 간주될 수 있다. 양공이라는 이름이 붙여진 이 가상의 입자는 양전하를 수송하고, 전기장의 영향하에서 전자의 방향과 반대 방향으로 움직인다.

 

고립된 원자의 경우 원자의 전자는 불연속의 에너지 준위를 가질 수 있다. 많은 수의 원자가 합해져서 결정을 만들면 원자간의 상호작용으로 불연속의 에너지 준위는 에너지 띠가 된다. 열 진동이 없을 경우에는 반도체의 전자는 낮은 에너지부터 여러 개의 에너지 띠를 완전히 채우고, 그결과 나머지 에너지 띠는 빈 채로 있게 된다. 가장 높이 채워진 에너지 띠는 가전자띠라고 불린다. 그 다음으로 높은 띠가 전도띠인데, 이것은 에너지 간격에 의해서 가전자띠와 분리되어 있다. 이 에너지 간격은 띠간격이라고도 불리는데, 이것은 반도체의 전자가 가질 수 없는 에너지 값을 나타낸다. 대부분의 중요한 반도체는 0.25~2.5eV에 이르는 띠간격을 가지고 있다. 예를 들면 실리콘의 경우에는 1.12eV, 비소화갈륨의 경우에는 1.42eV이다.



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고체 물질은 전기 전도도에 따라 보통 절연체•반도체•도체로 나뉜다. 그림1은 세 부류 중 몇 개의 중요한 물질의 전기전도도 및 이에 상응하는 비저항을 나타내고 있다. 반도체의 전도도는 절연체와 도체의 중간영역이며 일반적으로 온도•조명•자기장 및 미량의 불순물원자에 따라 그 전도도가 민감하게 달라진다. 예를 들면 특별한 종류의 불순물을 0.01% 이하로 첨가하여도 반도체의 전기전도도를 100,000배 이상 증가시킬 수 있다. 5종류의 반도체에 대해서 불순물원자에 의한 전기전도도의 변화폭이 그림1에 나타나 있다.

 


▲ <그림1> 반도체와 접합원리


반도체 물질의 연구는 19세기초에 시작되었으며 여러 해 동안 많은 반도체가 연구되었다. 표는 반도체와 관련된 주기율표의 일부를 보여주고 있다. 원소반도체는 한 종류의 원자로 구성된 반도체로, 예를 들면 Ⅳ족의 규소, 게르마늄, 회색 주석(Sn) 및 Ⅵ족의 셀렌(Se)과 텔루르(Te) 등이 있다. 그러나 두 종류 또는 그 이상의 원소들로 구성된 수많은 화합물반도체도 있다. 이것들은 구성하는 원소의 수에 따라 이원화합물반도체•삼원화합물반도체•사원화합물반도체 등으로 불린다. 예를 들면 비소화갈륨은 이원 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체로 Ⅲ족의 갈륨(Ga)과 Ⅴ족의 비소(As) 결합으로 이루어져 있다. 삼원화합물반도체는 3개의 다른 족의 원소에 의해서 형성될 수 있다. 예를 들면 텔루르화인듐수은(HgIn2Te4)은 Ⅱ-Ⅲ-Ⅴ 화합물이다. 이것들은 두 족의 원소에 의해서 형성될 수도 있다. 예를 들면 비소화갈륨알루미늄(AlxGa1-xAs)은 3원 Ⅲ-V족 화합물반도체로 Ⅲ족인 알루미늄(Al), 갈륨과 V족인 비소로 되어 있다. 여기서 x는 알루미늄과 갈륨의 비율을 나타낸다.

 

1947년에 트랜지스터가 발명되기 전에 반도체는 정류기와 광전 다이오드 같은 이단자 소자에만 사용되었다. 1950년대초에는 게르마늄이 주요 반도체 물질이었다. 그러나 이것은 많은 응용 부문에 부적당하다는 것이 밝혀졌는데, 그 이유는 만들어진 소자가 온도가 약간만 높아도 높은 누설 전류를 보였기 때문이다. 1960년대 이래 규소가 실제적인 대체물이 되어서 반도체 제조 물질로서 게르마늄을 몰아내게 되었다. 이것에 대한 이유는 첫째로 실리콘(규소) 소자는 누설전류가 아주 적다는 것과, 둘째로 반도체 소자제조에 필요한 절연체인 양질의 이산화규소(SiO2, 즉 실리콘산화막)를 만들기 쉽다는 것이다. 현재 실리콘 기술은 모든 반도체 기술 중에서 가장 앞서 있으며, 실리콘에 바탕을 둔 소자는 세계시장에서 반도체 부품의 95% 이상을 차지하고 있다. 많은 화합물 반도체는 규소가 가지고 있지 않은 전기적 및 광학적 성질을 가지고 있다. 이 반도체들, 특히 비소화갈륨 반도체는 주로 고속•광전자 부문에 사용되고 있다.



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반도체의 일반적인 성질

 

 

전기전도도가 도체와 절연체의 중간 정도인 결정형 고체들.

 

반도체 물질들은 고유반도체(원소 반도체)와 불순물반도체의 일반적인 2개 그룹으로 나눌 수 있다. 고유반도체는 화학적 순도가 대단히 높고(이 물질들은 1012에 1개 정도의 불순물을 포함함), 전기전도도가 아주 낮으며, 온도에 따라 전기전도도가 크게 변한다. 흔히 쓰이는 고유반도체로는 규소(Si), 게르마늄(Ge), 비소화갈륨(GaAs)의 단결정들이 있다. 이러한 물질들에 일반적으로 106에 1개 정도의 불순물을 첨가하면 기술적으로 더욱 중요한 불순물반도체로 된다. 이 과정을 도핑(doping)이라고 하며, 이것은 물질의 전기적 성질을 변화시켜서 전기전도도를 갑자기 크게 한다. 예를 들어 규소 원소 같은 고유반도체의 원자는 4개의 최외각 전자를 가지고 있다. 이 전자들은 규소원자를 그것에 이웃하는 원자와 결합시켜주고 있어서 고체 내에서 자유롭게 움직일 수 없다. 따라서 순수한 규소는 전기전도성이 나쁘다.

 

만약 5개의 최외각 전자를 가진 인(P) 원자가 불순물로 일부의 규소원자를 치환한다면 이웃한 원자들을 결합시키는 데 있어 5번째의 전자는 필요하지 않으므로 이 전자는 자유롭게 움직일 수 있다. 반면 붕소와 같은 형의 불순물원자들은 규소보다 최외각 전자가 1개 적으므로, 붕소원자로 규소원자를 치환한다면 두 원자 사이에 하나의 전자가 모자라 빈 공간을 남기게 된다. 이를 양공 (hole)이라 하는데, 이들은 양전하를 가진 입자처럼 행동하므로 역시 전기전도도를 높여준다(→ 색인 : 양공). 100만 개의 원자에 10개의 붕소원자만 들어가더라도 불순물반도체가 된다. 불순물반도체는 첨가된 불순물이 고유반도체보다 전자를 하나 더 갖거나 혹은 하나가 부족한 두 종류에 따라서 각각 n-형과 p-형으로 구분된다. 반면 전하운반자의 밀도가 거의 같더라도 어떤 특별한 환경에서 전자와 양공의 이동도(mobility)가 다르기 때문에 고유반도체도 n-형과 p-형으로 구분될 수도 있다. 이런 경우에는 이동도가 가장 큰 전하운반자가 전도과정을 지배한다.



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반도체 (Semiconductor)


반도체(半導體, semiconductor)란 전기가 잘 통하는 도체와 통하지 않는 절연체의 중간적인 성질을 나타내는 물질이다. 오늘날 전자기기에 널리 사용되는 반도체들은 열, 빛, 자장, 전압, 전류 등의 영향으로 그 성질이 크게 바뀌는데, 이 특징에 의해 매우 다양한 용도로 활용되고 있다.


‘반도체’라는 말은 ‘semiconductor’의 ‘semi-(반)’와 ‘conductor(도체)’라는 단어에서 유래한 것이다.


초기의 반도체 재료는 주기율표에서 4족 원소인 게르마늄이 사용되었으나, 오늘날에는 대부분 실리콘을 주원료로 사용하고 있다. 미국의 윌리엄 브래드포드 쇼클리(William Bradford Shockley)는 도체나 진공 속으로만 다니던 전자가 완전 도체도 절연체도 아닌 반도체라는 고체 안에 존재하면서 흥미로운 특성을 갖게 된다는 사실을 처음으로 발견하였다.


▲ <사진> 윌리엄 브래드포드 쇼클리 (1910~1989)





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