반도체 물리학

반도체의 에너지띠 구조는 절연체와 비슷하지만 채워진 띠와 비워있는 띠 사이의 간격, 즉 에너지띠간격(band gap: 띠틈)이 2.5 eV 이하로 좁다. 때문에 열에너지로부터 약간의 전자가 에너지를 얻어서 비워있는 띠로 전이할 수 있어 어느 정도 전류가 흐를 수 있다. 여기서 채워진 띠 중 맨 위의 띠를 원자가띠(valence band)라고 하고, 금지띠를 건너서 비어 있는 띠 중 맨 아래 띠를 전도띠(conduction band)라고 한다. 대표적인 반도체인 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)의 경우 띠간격이 각각 1.11 eV, 0.67 eV 이다. 이들은 모두 주기율표에서 IV 족으로 공유결합을 하며 다이아몬드 구조를 하고 있다. 같은 IV 족의 탄소로 된 다이아몬드가 띠간격이 5.48 eV 이어서 투명하며 부도체인 것과 달리 이들은 불투명하며 반도체이다.

아래 그림은

$3 \times 3 \times 3$ , 즉 27개의 단위세포로 된 실리콘의 결정구조를 보여주고 있다. 격자상수는 0.543 nm 으로 다이아몬드 구조를 하고 있다.

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실리콘 결정구조_ 실리콘이 다이아몬드 결합을 한 결정구조를 보여준다. 왼편 그림은 입체적인 구조로 마우스로 돌려볼 수 있다. 오른쪽 그림은 이를 평면 구조로 간략하게 나타낸 것이다.

다양한 반도체 - 화합물반도체

실리콘이나 게르마늄처럼 순수한 물질로 된 반도체도 있지만 2 종류 이상이 혼합된 반도체도 있다. 이를 화합물반도체(compound semiconductor)라 하는 데 IIIA 족과 VA 족의 화합물이나 IIB 족과 VIA 족이 같은 비율로 혼합된 것이 대표적이다. IIIA-VA 화합물로 GaP, GaAs, InSb 등이 있고, IIB-VIA 화합물로는 ZnS, CdS, ZnTe 등이 있다.

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화합물반도체의 후보군_ 색채로 표현한 원소들은 IIB 족 ~ VIA 족으로 이들을 조합해서 다양한 반도체를 만들 수 있다.

다음 그림은 III 족인 갈륨(Ga)과 V 족인 인(P)으로 된 GaP 반도체의 구조를 보여주고 있다. 이는 갈륨과 인이 결정으로 형성된 것으로 다이아몬드 구조와 동일하나 갈륨과 인이 1:1로 교대로 배치되어 있는 점이 다르다. 이러한 구조를 가진 많은 물질 중에서 황화아연(zinc sulfide: ZnS)이 대표적이므로 이를 섬아연광구조(Zincblende structure) 혹은 입방황화아연구조(cubic zinc sulfide structure)라 한다. GaP, ZnS 뿐만 아니라 GaAs, InP, InAs, InSb, CdTe 등 많은 물질이 같은 구조를 한다.

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갈륨인 결정구조_ 갈륨(Ga)과 인(P)이 1:1로 공유결합하여 다이아몬드와 유사한 구조를 하고 있다. 그러나 여기서는 갈륨과 인이 교대로 배치되어서 어디나 인접한 원자는 서로 다른 종류가 온다. 왼편 그림은 입체적인 구조로 마우스로 돌려볼 수 있다. 갈륨은 바깥전자 3개가, 인은 5개가 공유결합에 기여하므로 1:1 로 교대로 배치된다면 그림 같은 안정된 구조를 할 수 있다. 오른편 평면 도해 그림에서는 갈륨과 인에서 기여되는 전자 3개와 5개를 녹색과 파랑으로 색을 달리해서 보여주고 있다.

[질문1] 위 주기율표에서 반도체로 조합될 수 있는 각 원소들의 전자배열을 1s²2s² ... 등으로 표기하고 있다. 이것을 참고해서 (a) IV_A족의 원소들이 전자배열이 어떤 공통점을 가지는 지를 설명하라. (b) 게르마늄(Ge) 원소는 다이아몬드 구조를 하고 있다. 이 중에서 어떤 전자가 원자가띠에 관여하는가?

[질문2] 본문에서 예를 든 갈륨인(GaP) 화합물반도체에 대해 갈륨과 인 각각 원소의 전자배열에서 어떤 전자가 원자가띠에 관여하는지 밝혀라.

[질문3] 결정에 빛을 비추면 광자의 에너지가 원자가띠에 있는 전자를 전도띠로 보낼 수 있을 정도가 되면 빛은 흡수된다. 이 사실을 이용해서 실리콘 결정에 흡수될 수 있는 빛의 파장의 최댓값을 구하라. 이 결과로 실리콘 결정이 겉으로 어떤 색채로 보일지 판단하라.