[반도체 소자] 실리콘(Si)의 구조 part 3

 

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.

 

 

오늘 이 슬라이드에서 나오는 숫자 값들은 꼭 외워주시길 바랍니다. 먼저, 1cm^3라고 하는 부피 안에 몇 개의 실리콘 원소들이 들어있는지 계산을 해보겠습니다. 앞서 말씀드린 다이아몬드 구조를 한 번 더 그림을 그려서 설명을 드리겠습니다. 다이아몬드 구조에는 실리콘원소들이 꼭지점에 하나씩 위치해 있습니다. 뒤 쪽은 점선으로 표현하겠습니다.

 

 

이 꼭지점에 있는 원소는 실제로는 하나지만 실제 정육면체 안에 속해 있는 부분은 8분의 1정도만 속해 있습니다. 잘 이해가 안 되면, 4개씩 2층으로 쌓여 있는 박스를 그려보시길 바랍니다.

 

 

가운데에 있는 실리콘 원소는 8개의 박스에 다 포함이 됩니다. 다시 말해, 하나의 박스에는 8분의 1개의 실리콘 원소가 있다고 보시면 됩니다.그래서 각 코너에는 총 8개가 있지만 유효하게는 총 1개의 원소만 있다고 계산해 주시면 됩니다.그 다음에는, 다이아몬드 구조에서 각 면마다 원소가 하나씩 가운데에 있는 것을 확인할 수 있습니다.이 경우에는 절반은 정육면체 안에 존재하지만 나머지 절반은 정육면체 바깥에 존재하게 됩니다.

 

 

그래서 모든 면에 총 6개의 원소가 있는 것 같지만, 유효하게는 총 3개의 원소만 있다고 계산해 주시면 됩니다.다이아몬드 구조를 띈 실리콘(Si) 결정재료는 원소를 조금 더 가지고 있습니다.먼저 제가 대각선을 하나 그려보도록 하겠습니다.이런 대각선은 8개의 점을 이용하여 총 4개의 대각선을 만드실 수 있을 겁니다.

 

 

이 대각선 길이의 1대 3이 되는 위치에 실리콘(Si) 원자가 한 개 씩 위치하고 있습니다.이렇게 배치된 실리콘(Si) 원소는 온전히 육면체 안에 들어있기 때문에 총 4개의 원소가 있다고 계산해 주시면 됩니다.지금까지 계산한 모든 원소를 더하면 총 8개의 원소가 한 unit cell 안에 들어옵니다.이번에는 unit cell의 부피를 계산해 보겠습니다.정육면체이기 때문에 가로, 세로, 높이를 곱하시면 됩니다.

 

 

앞 슬라이드에서 한 변의 길이를 lattice constant라고 표현했습니다. 그 길이를 0.543nm라고도 했습니다.‘nm’는 10^-9m입니다. 미터를 센티미터 단위로 바꾸면 10^-7cm로 쓰시면 됩니다. 정육면체이기 때문에 총 3번을 곱해주시면 됩니다. 계산한 결과를 토대로 총 개수를 부피로 나눠 주시면 됩니다. 그렇다면 그 결과는 5 × 10^22개/cm3가 됩니다. 이렇게 해서 마지막 슬라이드를 통해 crystalline 실리콘(Si) 재료의 1cm^3에 들어있는 실리콘 원소의 개수를 구해봤습니다. 그 개수는 약 5 × 10^22개이었습니다.

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긴 글 읽어주셔서 감사합니다.