[반도체 소자] 실리콘(Si)의 구조 part 1

 

이번 글의 내용은 성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과 신창환 교수님의 "반도 채 몰라도 들을 수 있는 반도체 소자 이야기" 강의를 정리 및 참조하였음을 먼저 밝힙니다.

 

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저번 포스트에서는 "반도체가 무엇인지?"에 대해서 개괄적인 설명과 역사를 통하여 알아보았습니다. 이번 포스트에서는 반도체 핵심 재료인 실리콘(Si)의 구조에 대해서 조금 더 자세히 알아보겠습니다.

 

아래 쪽 표를 보시면 크게 폴리크리스탈린(poly-crystalline), 아몰퍼스(amorphous), 크리스탈린(crystalline)으로 나뉘어져 있습니다.

 

 

Crystalline 실리콘(Si) 재료의 경우에는 실리콘(Si) 원자들이 주기적으로 배치되어 있습니다. 하지만 amorphous 실리콘(Si) 의 경우에는 실리콘(Si) 원자들이 아무 규칙 없이 여기저기 흩뿌려져 있습니다.그리고 poly-crystalline 실리콘(Si)는 지역적으로는 일정한 주기와 패턴을 가지고 있습니다.하지만, 조금만 옆으로 벗어나면 원자들이 또 다른 형태의 주기와 패턴을 가지고 배치되어 있습니다.이 때, 이 한 영역을 그레인(grain)이라고 표현을 합니다. Grain과 grain 사이의 경계면은 그레인 바운더리(grain boundary)라고 표현합니다.

 

 

위의 사진을 보면 여러 반도체 재료에 대해서 나와 있습니다.주기율표의 일부분을 발췌해서 표시해 두었습니다.

 

현재 가장 널리 사용되고 있는 반도체 재료는 실리콘(Si) 이라고 말씀을 드렸었습니다.그 외에도 게르마늄(Ge), 카본(C) 등 4족 원소 재료들이 널리 사용되고 있습니다.두 번째 분류의 반도체 재료는 화합물 반도체 재료 (compound semiconductor material)입니다.

 

Compound semiconductor material은 실리콘(Si)을 기준으로 왼쪽, 오른쪽에 위치되어 있습니다.Compound semiconductor material는 3족과 5족에 있는 원소가 하나씩 만나 결합한 반도체 재료입니다.3족과 5족뿐만이 아니라 같은 4족에 있는 실리콘(Si)와 게르마늄(Ge)를 결합해도 됩니다.2족과 6족의 원소로도 만드실 수 있습니다.

 

예를 들면, 카드뮴(Cd)과 셀레늄(Se)이 결합하면 2-6 compound semiconductor material이 됩니다.마지막 분류로는 얼로이 세미컨덕터 머티어리얼(alloy semiconductor material)이 있습니다.이 경우는 1대 1 비율이 아닌 x대 1-x의 비율로 자유롭게 섞어서 만든 반도체 재료입니다.그래서 이름을 alloy semiconductor material이라고 붙였습니다.

 

 

 

실리콘(Si) 원소의 전자 배치에 대해 나타내고 있습니다. 위에 나와 있는 그림은 수소(H) 원소 입니다.수소(H) 원소는 원자번호가 1 번이기 때문에 1개의 양성자와 1개의 전자를 가지고 있습니다.지구상에서 매우 단순한 전자 구조를 가진 재료입니다.오른쪽 그림에는 저희가 학습하게 될 실리콘(Si) 원소의 전자 배치가 나와 있습니다.원자번호 14번인 실리콘(Si)는 중앙에 양성자 14개 덩어리와 주변을 돌고 있는 총 14개의 전자를 가지고 있습니다.

 

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긴 글 읽어주셔서 감사합니다.