반도체(Intrinsic semiconductor) 기초

① 반도체 ?

② 원자 & 전하 & 전자

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■ 반도체 ?

 반도체(Semiconductor)는 도체와 부도체의 성질을 모두 띈 물질입니다.

물질에 가해진 전압, 열 또는 조사된 빛의 파장에 따라

즉, 상황에 따라 전기전도도(성질)가 변하는거죠.

 

이러한 변하는 성질을 응용한 반도체로 포토다이오드, LED, 증폭기 등이 있어요.

 

 

진성반도체는 온도가 증가할수록 전기전도도가 높아지는데요,

이는 물질내의 공유결합이 약해지고

따라서 전류를 흐르게 하는 캐리어의 농도가 높아지기 때문입니다.

 

 Cf. 공유 결합(Covalent bonding)

원자는 최외각 전자가 8개일때 가장 안정합니다.

이를 옥텟 규칙(Octet rule)이라고 하는데요,

 

원자와 전자에 대한 내용은 아래에서 다시 확인할게요.

최외각 전자는 원자의 가장 바깥쪽에 있는 전자입니다.

 

공유결합은 이러한 옥텟 규칙(안정적인 상태)를 만족하기 위해,

최외각 전자를 공유하는 결합입니다.

규소 원자

반도체에서 많이 사용되는, 규소원자를 예로 들면,

위의 그림에서 보이는 것처럼 최외각(가장 바깥쪽) 전자가 4개이구요,

아래의 그림처럼 공유결합을 이루게 됩니다.

규소의 공유 결합

 

 

 

하지만 이러한 반도체에서 온도와 전기전도도가 비례하는 성질은 P형 반도체, N형 반도체에서는 달라집니다.

일반적인 금속과 같이 온도가 증가하면 전기전도도가 감소하는거죠.

 

 

 Cf. 일반 금속에서의 전기 전도도

일반적인 금속 & P형, N형 반도체 : 저항∝온도

 

일반적인 금속에서 온도가 높아지면, 전자의 이동속도가 빨라져서

전기전도도가 상승할것 같지만, 실제로 양성자의 진동도 늘어나고

이 진동에 의해 전자가 이동을 방해받는 정도가 더 크기 때문에

저항은 온도가 증가함에 따라 증가하고, 전기전도도는 감소합니다.

 

■ 원자 & 전하 & 전자

반도체의 성질을 이해하기 위해서는 원자를 알아야 합니다.

간단하게 필요한 부분만 짚고 넘어갈게요.

 

탄소(C, 원자번호 6번)을 예로 들면,

탄소 원자

탄소 원자의 형태는 위의 그림과 같아요.

 

이때, 원자는 물질을 구성하는 기본입자의 단위입니다.

 

원자의 중심에서 양성자와 중성자가 원자핵을 구성하고

전자들은 원자핵 주위를 움직입니다.

양성자는 (+)전하를, 전자는 (-)전하를, 그리고 중성자는 전기적으로 중성입니다.

 

 

여기서 전하의 의미는 무엇일까요?

전하는, 어떤 물질 자체를 나타내는게 아니라,

물질의 물리적 성질을 나타내는 용어입니다.

전기적으로 (-) 또는 (+)의 성질을 가질때,

각각 음전하, 양전하라고 하는거죠.

 

참고로, 양성자는 원자핵에 묶여서 그 숫자가 변하지 않으므로,

원자의 전하가 양이냐 음이냐는 전자에 의해서 결정됩니다.