반도체 물성 - 원자와 실리콘

1. 원자

1) 원자란?

○ 물질을 이루는 가장 작은 단위입니다.

○ 질량이 무거운 원자핵과 질량이 가벼운 전자로 이뤄집니다.

○ 원자핵은 중성자와 양성자의 결합으로 양의 전하를 띄고 있습니다.

○ 전자는 음의 전하를 띄고 있습니다.

2) 원자의 성질

○ 모든 원소의 핵은 일정한 수의 양성자를 가지고, 그 양성자의 수 만큼 전자를 갖습니다.

○ 전자는 원자핵 주위를 일정한 궤도(Orbital)를 따라 돌게 됩니다.

○ 이 궤도를 전자 껍질이라고 하며, 원자핵에 가까운 껍질일수록 안정된 상태입니다.

○ 껍질에는 이름이 있는데 핵과 가까운 순서로 K, L, M, O, P, Q 껍질이라고 부릅니다.

○ 전자 껍질이 최대로 가질 수 있는 전자 개수는 2N^2개 이며, 이 때 N은 층수를 의미합니다.○ 원자의 화학적 성질은 최외곽 전자 수에 의해 나타나며, 최외곽 전자를 다른말로 가전자라고 합니다.

3) 실리콘 원자

○ 실리콘은 반도체에 가장 많이 사용하는 재료입니다.

○ 실리콘은 K 궤도에 2개, L 궤도에 8개, M 궤도에 4개의 전자를 갖고 있으며, 원자번호는 14번 가전자는 4개 입니다.

○ 절대온도 0K(-273.15도씨)에서는 공유결합에 의해 전자의 자유로운 이동이 불가능합니다.

○ 절대온도 0K를 넘어 더 높은 온도가 되었을 때 공유 결합이 깨뜨러지며 EHP(Electron_Hole Pair)가 형성됩니다.

○ 생성된 전자와 전공쌍은 시간이 흘러 다른 전자와 전공쌍을 만나 재결합(Electron-Hole Recombination)합니다.

 

4) 실리콘 결정

○ 실리콘 결정은 다른 말로 다이아몬드 구조라고 하는데 이는 다이아몬드 결정의 단위 셀과 동일하기 때문입니다.

○ 아래 사진은 실리콘 결정이며, 각각의 구는 실리콘 원자를 나타냅니다.

○ 실리콘 결정은 각 꼭짓점에 8개, 각 면에 6개, 결정 내부에 4개 총 18개의 원자로 이뤄집니다.

4) 실리콘 결정

○ 실리콘 결정은 다른 말로 다이아몬드 구조라고 하는데 이는 다이아몬드 결정의 단위 셀과 동일하기 때문입니다.

○ 아래 사진은 실리콘 결정이며, 각각의 구는 실리콘 원자를 나타냅니다.

○ 실리콘 결정은 각 꼭짓점에 8개, 각 면에 6개, 결정 내부에 4개 총 18개의 원자로 이뤄집니다.

5) 실리콘 웨이퍼 표면 방향

○ 실리콘은 밀러지수 (1 0 0) 면을 사용합니다.

○ 아래 좌측 그래프는 전계(E-filed)와 전자 이동도이고 우측은 홀 이동도 입니다.

○ 반도체는 전자 이동도가 중요하기 때문에 이동도가 가장 높은 (1 0 0)면을 사용하게 됩니다.

 

6) 실리콘을 반도체 재료로 사용하는 이유

○ 실리콘의 원료는 규소입니다. 규소는 지구에서 두 번째로 많이 존재하는 원소로 구하기도 쉽고 그만큼 가격도 쌉니다.

○ 실리콘은 자연 산화막 즉 실리콘옥사이드(SIO2)를 쉽게 발생하는데, 이는 절연막으로 성능이 우수합니다.

○ 실리콘은 반도체로 사용하기에 적절한 밴드갭을 가지고 있습니다.

밴드갭이 큰 물질로 만든 반도체는 구동시키는데 많은 게이트 전압이 필요하고, 이는 절연층에 많은 부하가 걸릴 뿐만 아니라 소비 전력도 큽니다.

반면에 밴드갭이 작은 물질로 만든 반도체는 도체에 가까운 특성을 갖기 때문에 On/Off 컨트롤이 어렵습니다.

 

○ 실리콘은 독성이 없어 공정이 쉽고 저온부터 고온까지 큰 폭의 안정성을 갖기 때문에 공정하기 쉽습니다.

 

<출저>

실리콘 면과 이동도 그리고 E-Field의 관계 : https://eatch.net/520