[반도체 소자] 실리콘(Si)의 구조 part 2

 

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 반도체 핵심 재료인 "실리콘(Si)의 구조"에 대해서 개괄적인 설명과 역사를 통하여 알아보았습니다. 이번 포스트에서는 "실리콘이 어떠한 역할을 하는지?" 에 대해서 조금 더 자세히 알아보겠습니다.

 

 

특히, 우리가 반도체 집적회로에서 ‘전류가 흐른다’ 라고 표현할 때 최외곽을 돌고 있는 4개의 전자가 그 전류를 흘려주는 주인공입니다.

 

 

다시 말하자면 실리콘(Si)은 4족 원소이고 최외곽에 있는 4개의 전자가 아주 중요한 역할을 한다고 보시면 됩니다. 그래서 한 번 더 실리콘 원소 최외곽을 돌고 있는 전자 4개가 중요하다고 했는데요. 그 4개의 전자가 실제 주양자수로 3번, 그리고 s 오비탈, p 오비탈에 자리를 채우고 있습니다. 그래서 3s, 3p 오비탈에 4개의 전자가 돌아가고 있다고 이해를 하시면 됩니다. 그래서 앞으로 실리콘(Si) 원소를 그릴 때 최 외곽 전자 4개만 이렇게 위, 아래, 좌, 우에 하나씩 그리도록 하겠습니다.

 

 

다음으로는 실리콘(Si) 원소들을 모아 crystalline 실리콘(Si) 재료를 만들어 보겠습니다. 자연에 있는 crystalline 실리콘(Si) 재료를 현미경으로 관찰하면 왼쪽에 있는 다이아몬드 큐빅 래티스 (diamond cubic lattice) 형태를 관찰하실 수 있습니다.

 

 

위의 모형을 보면 이해가 더 잘가실 수 있을 것 같습니다.

 

모형을 보면노란색 실리콘(Si) 원소가 하나가 있습니다. 그리고 실리콘 주변으로 위쪽에 1개, 아래쪽에 삼각형 형태로 3개가 배치되어 있는 것을 보실 수 있습니다. 이처럼 실리콘 원소 하나를 기준으로 정사면체 형태로 배치가 되어 있습니다. 이것이 실리콘 결정 재료를 만드는 기본 단위체가 됩니다.

 

더 자세히 이해하기 위해 아래의 사진을 보시면 다이아몬드 구조를 만들기 위해 실리콘(Si) 원자들이 어떻게 결합하고 있는지 보실 수 있습니다. 여기서 핵심은 글에 나온 대로 각각의 실리콘(Si) 원소는 주변에 가장 가까이 있는 4개의 실리콘(Si) 원자들과 결합하고 있다는 것입니다.

 

 

그것을 이용해 이렇게 실리콘(Si) 결정 재료를 만들었습니다.이 경우에는 정육면체 형태로 그림을 그려서 나타냈습니다.여기서 한 변의 길이를 래티스 콘스턴트 (lattice constant) 라고 부를 것입니다.이 길이가 0.543nm 정도 됩니다.‘nm’ 단위는 첫 시간 때 말씀 드린 대로 10^-9m를 나타냅니다.

 

 

다음 내용은 compound semiconductor의 결정구조에 대한 내용입니다.Compound semiconductor는 앞서 말씀드린 대로 3족 원소 하나와 5족 원소 하나가 1대 1의 비율로 결합한 재료라고 했습니다.이 슬라이드에서 갈륨 알세나이드(GaAs)의 예를 보여주고 있습니다. 원자들이 배치되어 있는 모습만 본다면 실리콘(Si)와 갈륨 알세나이드(GaAs)가 같습니다.

 

하지만 갈륨 알세나이드(GaAs)는 그림에 나와있는 대로 갈륨(Ga)과 알세나이드(As)가 하나씩 번갈아 가면서 배치되어 있습니다. 구조상으로는 다이아몬드 구조와 같지만, 차별하기 위해 징크블렌드(Zinc-Blende) 구조라고 표현을 합니다. 그래서 3-5족 compound seminconductor는 징크블렌드(Zinc-Blende) 구조를 가진다고 이해하시면 됩니다.

 

 

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긴 글 읽어주셔서 감사합니다.