반도체와 접합원리

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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Posted by  Mr.반