반도체의 전기적 성질

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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Posted by  Mr.반