반도체의 화학적 특성에 대해서?

전기전도(電氣傳導)가 전자와 정공(hole)에 의해 이루어지는 물질로서 그의 전기저항률 즉 비저항(比抵抗)이 도체와 절연체 비저항값의 중간값을 취하는 것.


본문


일반적으로 실온(室溫)에서 10-3~1010[Ω ·cm] 정도의 비저항을 가지나 반도체의 비저항 범위가 엄격하게 정해져 있는 것은 아니며, 본질적으로는 전기전도현상의 물리적 기구(機構)에 그 특색이 있다.

대부분은 결정체(結晶體)를 이루고 있으나 비정질(非晶質:amorphous)의 것도 주목을 받고 있다. 일반적으로 절연체로 알려져 있는 것의 대다수가 약간씩이나마 전기전도성을 가지고 있기 때문에 반도체는 절연체의 범주에 속한다고 할 수 있다. 비저항의 크기는 물질의 종류가 같더라도 외부 조건에 따라서 여러 가지로 변한다. 또한 그 물질의 결정격자의 결함 ·순도 ·제조 및 가공방법이 다르면 반도체나 절연체에서는 비저항이 심하게 변하지만 도체에서는 그 변화가 별로 크지 않다.

도체의 경우는 온도가 증가함에 따라 비저항이 크게 되지만 반도체나 절연체의 경우는 도리어 감소되며, 그 변화율도 도체의 경우보다는 훨씬 크다. 반도체나 절연체의 경우는 외부로부터의 빛이나 열 등의 자극이 가해질 경우 비저항이 크게 변하는 특징이 있다. 이와 같은 비저항의 변화율이 반도체의 경우는 특히 커서 이 특성이 여러 분야에서 이용된다.

물질 속을 전류가 흐르게 되는 것은 전기를 지니며 동시에 움직이기 쉬운 상태에 있는 미립자가 그 물질 속에 있기 때문이라고 생각된다.이 전기를 지니고 전류를 형성하는 미립자를 전하반송자(운반체) 또는 캐리어(carrier)라고 한다. 물질 속에서 캐리어가 발생되는 것은 물질의 종류나 상태에 따라 각양각색이며 염화나트륨 NaCl과 같은 경우에는 높은 온도에서 이것이 녹아 나트륨이온 Na+과 염소이온 Cl-으로 분해하며, 이들이 캐리어로 되어 외부 전기장에 의하여 이동하는 결과 전류가 생긴다. 이것을 ‘이온 전도(電導)’라고 한다. 그러나 이 경우 낮은 온도, 예컨대 상온에서는 이와 같은 이온의 발생이 없어 염화나트륨의 결정은 절연체로 된다.

또 도체인 금속의 경우는 구리의 예를 보면, 캐리어는 구리 원자 외각에서 이탈하여 구리 결정체 속을 자유롭게 이동할 수 있는 전자(電子)들이다. 반도체의 경우도 결정 속을 이동하는 이와 같은 전자가 캐리어가 된다. 이것을 전자전도(電子傳導)라고 한다. 전자전도는 반도체의 전기전도의 한 특징이다.

반도체 또는 금속에 전류를 통하고 이것에 수직된 방향으로 정자기장(靜磁氣場)을 인가하면 전류방향과 자기장방향 양쪽에 대하여 수직 방향으로 이들의 크기에 대략 비례하는 기전력(起電力)이 발생된다. 이것을 홀(Hall)효과라고 한다. 이 기전력의 크기는 반도체의 경우가 가장 크며 금속의 경우가 그 다음이고 절연체의 경우는 매우 작다. 이 기전력이 생기는 방향에 따라 전류를 이루는 주된 캐리어가 지니고 있는 전하(電荷)가 양 ·음인가를 분간할 수 있다. 대부분의 금속의 경우에는 이들 캐리어들이 음(陰)의 전기(음전하)를 지니는 입자 즉 전자임이 알려져 있다.

그러나 반도체의 경우는 그 물질에 따라 양 또는 음의 전기를 지니는 전자가 전류를 이루는 캐리어가 된다고 생각되는 경우가 생긴다. 이때 양의 전기를 지니는 전자로 볼 수 있는 캐리어를 특히 정공(［그림 1］［그림 2］［그림 3］)이라고 한다. 금속의 경우와 같이 전류 캐리어가 주로 전자인 경우를 n형 반도체, 전류 캐리어가 주로 정공일 경우를 p형 반도체라고 한다. 이와 같이 전자와 정공 두 가지의 캐리어가 존재할 수 있는 것도 반도체 특징의 하나이다.

반도체의 전기전도에 대한 물리적 기구는 다음과 같이 에너지 대역의 이론을 써서 설명할 수 있다. 즉 현대물리학의 결론에 따르면, 진공 속에서 전자가 취할 수 있는 에너지는 0(정지상태)에서 무한대에 이르는 연속적인 값일 수 있으나 원자 외각 속에 있는 전자는 불연속적으로 띄엄띄엄한 값만을 취할 수 있다.

이와 같은 원자의 규칙적인 배열로써 이루어진 고체 내에 존재하는 핵외(核外)전자는 역시 일반적으로 각자 어떤 불연속적으로 흩어진 에너지값을 갖고 있으며, 빛을 흡수하거나 열을 받아서 그의 에너지가 변화될 수 있다. 이와 같은 전자에너지의 변화로써 전자에 의한 고체 내에서의 전기전도를 설명할 수 있다. 이들 전자가 고체 내에서 취할 수 있는 에너지값에는 제한조건이 있으며, 고체물질의 구성원자와 결정구조에 따라서 그의 허용치가 정해진다.

［그림 1］에서 ⑴의 경우 고체 내의 원자핵 외부, 즉 외각의 전자들은 E0∼E1, E2∼E3, E3∼E4 등 범위 내의 에너지값을 가질 수 있으나 E1∼E2의 범위 내의 에너지값은 허용되지 않는다. 앞의 경우와 같이 전자가 취할 수 있는 에너지값의 범위를 허용대역, 후자와 같이 전자가 취할 수 없는 에너지값의 범위를 금지영역이라 한다. 즉 이것은 자유공간에 있는 전자의 경우와 크게 다른 점이다.

한편, 페르미-디랙(Fermi-Dirac)의 통계이론과 파울리(Pauli)의 배타원리(排他原理)에 따라 고체 내의 전자들은 대체로 이들 허용된 범위 내의 에너지값을 낮은 쪽에서부터 취하여 가는데 각 에너지값 즉 에너지 준위에 대하여 같은 에너지값을 차지할 수 있는 전자의 수는 일정하게 되어 있다. 즉 한 에너지 준위에는 일정수 이상의 전자는 있을 수 없으며 허용대역 내에 거의 연속적으로 분포되어 있는 에너지 준위를 아래쪽부터 전자가 차지하게 된다.

［그림 1］의 도체와 같은 경우에는 허용대역 중에 전자가 취할 수는 있으나 아직 채워지지 않은 에너지값 즉 에너지 준위가 있다. 전자가 서로 다른 두 개의 에너지 준위 사이를 이동할 때는 외부적 에너지의 주고받음이 전자에 대하여 생긴다. 그러나 같은 에너지 준위에서의 이동 때는 에너지의 주고받음은 없다.

［그림 1］에서 ⑴의 경우와 같이 허용대역 속에 거의 연속적으로 전자가 없는 에너지 준위가 있는 경우는 고체 내에서의 전자의 이동에 매우 작은 외부 에너지만이 필요하며 이와 같은 고체를 도체(導體)라고 한다. 이것의 전기전도도는 매우 크다.

［그림 1］의 ⑵의 경우, 허용대역은 E0∼E1, E2∼E3, E4∼E5의 범위에 있으며 이들 서로 떨어져 있는 허용대역 중 에너지 준위 E3까지 전자가 채워져 있다. 이와 같은 허용된 에너지 대역 중 전자들에 의하여 완전히 채워져 있는 대역을 충만대역(filled band)이라 하며, 특히 그림의 경우E2∼E3와 같이 가장 위쪽의 것을 가전자대역(價電子帶域)이라한다.

이 최고위치의 충만대역 위쪽에 있는, 전자로 채워져 있지 않은 허용대역을 전도대역(電導帶域)이라고 한다. 충만대역과 전도대역과의 사이의 전자가 취할 수 없는 에너지값의 범위를 금지영역이라 한다(［그림 1］의 E4 －E3 = Eg).

이와 같은 고체는 절대영도에서는 전도대역에 전자가 없어 완전한절연체이지만 온도가 높아지면 열운동에 의하여 전자들이 에너지를 얻어 일정한 확률로 전도대역의 에너지 준위에 상당하는 에너지값을 갖게 된다. 즉 전도대역에 전자가 있게 된다.

그 확률은 Eg가 클수록 지수함수적(指數函數的)으로 감소하며 Eg가 수 eV일 경우는 상온에서 전도대역에 전자가 거의 없을 정도로 된다. 그러나 Eg가 1 eV 정도의 크기면 상온에서도 상당수의 전자가 전도대역에 있을 수 있게 되는데 앞의 경우가 절연체, 후자의 경우가 반도체의 경우가 된다.

이상과 같이 반도체와 절연체의 경계는 명확히 정의하기가 어려우며 상온에서는 절연체이더라도 온도가 높아지면 반도체로 된다. 고체에다 불순물을 소량 첨가하면 고체를 구성하는 원자와 첨가한 불순물 원자와의 원자핵외(核外) 전자구조가 다르기 때문에 이 결정체 내에서의 전자들의 에너지 대역구조가 앞서와는 다르게 되며, 금지영역 속에 새로이 불순물 준위(不純物準位)라는 전자에 대한 허용된 에너지 준위가 생긴다. 이와 같은 허용준위가 생기면 이들 새 에너지 준위들과 전도대역 또는 가전자대역 사이에서 전자의 이동이 외부적 에너지에 의하여 생기며, Eg가 충분히 크다 하더라도 반도체로 될 수 있다.

［그림 2］에서 ⑴은 ［그림 1］에서 말한 반도체 경우의 에너지 대역구조인데 이와 같은 반도체를 진성(眞性) 반도체(intrinsic semiconductor)라고 한다. ［그림 2］의 ⑵는 전도대역 가까이 새로운 불순물 준위가 생기는 경우이며 절대영도에서는 이 준위까지 전자가 충만되어 있어서 이것이 n형 반도체가 된다.

［그림 2］에서 ⑶의 경우는 충만대역(이 경우는 가전자대역)에 접근하여 불순물 준위가 형성되며, 절대영도에서는 이 준위에는 전자가 존재하지 않는 경우이다. 이와 같은 것은 p형 반도체가 된다. n형 ·p형 반도체와 같이 불순물 첨가 등 외부 요인으로 인하여 반도체로 된 것을 특히 외인성(外因性)반도체(extrinsic semiconductor)라고 한다.

진성반도체의 경우는 충만대역인 가전자대역에서 외부로부터의 열이나 빛의 에너지 등에 의하여 전자가 에너지를 얻어, 즉 들떠서[勵起] 전도대역에까지 옮겨지며 그 대신 가전자대역에는 전자가 빠져나간 에너지 준위의 빈 상태가 생긴다. 이 상태는 빈 자리가 없는 충만대역 전체에서 하나의 전자가 빠진 나머지 전자들의 입장을 중심으로 생각할 때는 한 전자의 전하(電荷)가 －q이면 ＋q의 전하를 갖는 입자가 그곳에 존재하는 것과 같은 상태이다.

이처럼 충만대역에서 하나의 전자가 빠져나가 그 뒤에 마치 양전하 ＋q가 있는 것과 같이 볼 수 있는 빈자리를 전자와 대응시켜서 정공 또는 홀이라고 한다. 온도가 상승하면 진성반도체의 경우는 전도대역으로 들뜬전자와 이것에 상응하여 생긴 충만대역인 가전자대역에 형성된 홀에 의하여 전기전도가 이루어지는데, 이들 전자의 수와 정공의 수는 항상 같다.

n형 반도체의 경우에는 불순물 준위로부터 전도대역으로 전자가 들떠서 전기전도가 증대하고, 또 p형 반도체의 경우는 충만대역인 가전자대역으로부터 불순물 준위로 전자가 들떠서 그 결과 가전자대역에 정공이 생겨 전기전도가 크게 증대한다. ［그림 2］에서는 단일불순물 준위만을 표시하였으나 여러 가지 불순물 준위가 동시에 존재할 수도 있어 이들 사이에서의 전자의 들뜸과 정공의 발생으로 전기전도가 변화할 수도 있다.

이상에서 볼 때 반도체는 전도대역 ·충만대역 및 불순물 준위 중에서와 이들 상호간에서의 전자 및 정공의 이동변천이 이루어지며, 또 이들과 관련하여 발생하는 모든 현상의 매체가 되는 물질이라고 할 수 있다.

반도체 중 규소 ·게르마늄과 같은 원소로 된 단체(單體)인 것, 원소 주기율표상의 제3족 원소와 제5족 원소와의 금속간 화합물(예컨대 GaAs), 제2족의 원소와 제6족의 원소들로서 이루어지는 화합물(예컨대 ZnS 등) 등은 잘 알려진 반도체 재료들이다.

이들 외에도 산화물 반도체로서 알려져 있는 금속산화물, 유기(물) 반도체로서 알려진 반도체적 성능을 가지고 있는 유기물 등 많은 종류의 반도체 재료가 있어 각각 적절하게 이용되고 있다.

현재 전자소자에는 원소반도체, 특히 단체의 규소와 금속간 화합물 반도체가 많이 쓰이고 있다. 반도체는 여러 가지 독특한 현상을 나타내게 되며 정류(整流:p형과 n형 반도체의 접합에 의한 것과 반도체와 금속과의 접촉에 의한 표면장벽에 의한 것 등), 내부 광전효과(內部光電效果), 압전효과, 음파 - 전자 상호 작용에 의한 음파증폭 작용, 열전효과(熱電效果:Seebeck 효과와 Peltier 효과 등), 전기장발광(電氣場發光), 광자기(光磁氣)효과, 형광(螢光)효과, 기타의 몸체현상(bulk effect), 예컨대 건 효과(Gunn effect), 고체플라스마, 크라이오서(cryosar:超低溫高速스위치素子) 등에서 볼 수 있는 효과 등 매우 다양한 모습을 보여준다.

반도체가 나타내는 독특한 현상의 하나인 정류작용은 이것을 금속과 접촉시켰을 때 나타난다. 두 개의 금속을 접촉시키면 그 접촉을 통하여 전류가 흐를 때, 전류와 전압과의 관계는 전압의 방향에는 관계없이 전류의 크기가 전압의 크기에 비례하여 옴의 법칙에 따른다.

그러나 아산화구리 표면에 금속침을 세우고 그 접촉부를 통하여 전류를 흘리면 같은 전압의 크기에서도 아산화구리와 금속침 사이에 인가하여 주는 전압의 방향에 따라 이들 접촉부분을 통하는 전류의 크기에 크게 차이가 생긴다. 즉 아산화구리에서 금속침 쪽으로는 전류가 잘 통하나 이와 반대방향으로는 전류가 잘 통하지 않는다. 이와 같이 전류의 방향에 따라 전류의 크기가 변하는 현상을 정류작용(整流作用)이라 한다.

금속침과 반도체를 접촉시킬 경우 나타나는 정류현상에서, 반도체에서 금속 쪽으로 전류가 흐르기 쉬운지 또는 이와 반대되는 방향으로 전류가 잘 흐를 것인지가 반도체의 종류와 금속의 종류에 따라 결정된다. 이 현상은 접촉에 의하여 반도체 쪽에서 금속 쪽으로 전자가 전자의 에너지 분포 차이로 인하여 옮겨가든가 또는 반대로 금속 쪽에서 반도체 쪽으로 전자가 옮겨가서 전체적으로 열적 평형상태(熱的平衡狀態)가 이루어지는데, 그 결과로서 반도체 쪽의 접촉부분에 매우 얇은 공간전하(空間電荷)의 층이 형성되기 때문인 것으로 설명되고 있다.

이와 같은 정류작용은 p형 반도체와 n형 반도체를 접촉시켰을 때 그의 접촉부분에서도 현저하게 나타난다. 이와 같은 접촉부분을 특히 접합이라 하며, p형과 n형 반도체들의 경우 p-n 접합이라 한다. p-n 접합에서 전류가 잘 흐르는 방향으로 외부전압을 인가하면 p형 반도체로 전자가 유입되고, 정공은 n형 반도체 쪽으로 p-n 접합부분을 통하여 유입된다. 이들은 각각 그들이 유입된 상대방 영역에서는 외부 전압이 인가되지 않은 상태인 열적 평형상태일 경우에는 그 수가 극히 적어 거의 0에 가까운 상태를 이루고 있는 것들이다.

이와 같은 것을 소수 캐리어(minority carrier)라고 한다. 즉, p형 쪽으로 유입된 전자는 그곳에서는 소수 캐리어가 되며, n형 쪽으로 유입된 정공은 그곳에서의 소수 캐리어가 된다. 이에 대하여 p형이나 n형 반도체에서 주로 전기전도에 기여하는 캐리어 즉 p형 쪽의 정공이나 n형 쪽에 있는 전자들을 다수(多數) 캐리어(majority carrier)라고 한다. 따라서 p-n 접합에 외부전압을 인가하면 p형 및 n형 반도체 영역의 소수 캐리어의 농도가 증가되며, p-n 접합을 통해서는 상대방 영역으로 소수 캐리어가 주입되는 것이 된다.

이것을 특히 (소수)캐리어의 주입이라 하며, p-n 집합의 정류작용이나 접합형 트랜지스터 동작의 기본이 된다. 이와 같이 주입된 소수 캐리어의 수명은 10-6∼10-3초 정도로 매우 짧은 것이며, 이 시간이 경과되면 이들 여분으로 주입된 소수캐리어들은 그 곳에 있는 다수 캐리어들과 결합되어 소멸되는데, 이것을 캐리어의 재결합(再結合)이라고 한다. 즉, 이와 같은 재결합으로 과잉된 소수 캐리어가 소멸됨으로써 각 반도체 영역 내의 캐리어들은 그들의 온도에 따라 결정되는 일정수의 농도를 유지하게 된다. 이것을 열적 평형상태라고 한다.

접합부분을 통하여 계속 소수 캐리어의 주입이 이루어지면 과잉된 소수 캐리어가 있는 동안 그 부분의 전기저항은 감소된다. 이 소수 캐리어의 주입에 의한 전기저항의 변동 즉 전기저항의 변조(變調)를 이용한 것이 바이폴러 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor)이다. 이와 같이 열적 평형상태에서 이탈된 캐리어의 농도 분포상태를 쉽게 만들어 낼 수 있는 것이 또 다른 특성이다.

반도체에 강한 전기장을 외부로부터 인가하여 주면, 가속에 의하여 그 속의 전자의 평균운동에너지(유효온도)를 외부 전기장의 인가없이 일정한 온도로 반도체를 유지하였을 때 즉, 열적 평형상태에 있을 경우의 전자의 평균운동에너지보다 크게 증가시켜 줄 수 있다. 이처럼 열적 평형상태에 있을 때보다 큰 운동에너지 상태에 있는 전자를 ‘뜨거운 전자(hot electron)’라고 하며, 이와 같은 현상은 마이크로파(초단파)의 전기적 진동을 일으키는 마이크로파 발진소자인 건(Gunn) 다이오드 등에 이용되고 있다.

이들 뜨거운 전자들은 포논(phonon:음향양자)이나 고체 플라스마와 결합하여 불안정현상을 일으키는데, 이와 같은 현상은 여러 가지 반도체 능동소자에 이용된다. 가전자대역에 있는 전자를 열에너지 대신 빛에너지를 주어서 즉, 빛을 조사(照射)하여 전도대역까지 이끌어 올릴 수 있는데, 이때 필요한 빛의 광량자(光量子) 에너지는 반도체의 전도대역과 가전자대역 사이의 금지영역 폭에 상당하는 에너지보다 커야 한다.

물리학의 양자론(量子論)에 의하면, 빛을 이루는 광량자가 지니고 있는 에너지는 그의 진동수에 비례하며 파장에 반비례한다. 따라서 가전자대역의 전자를 들뜨게 하려면 일정한 파장보다 짧은 파장의 빛을 쬐어주어야 한다. 이 한계파장은 금지영역의 폭 즉, 에너지 갭(gap)이 클수록 짧다. 절연체인 다이아몬드의 경우는 자외선이 필요하지만 규소나 게르마늄 등의 반도체에서는 비교적 파장이 긴 근적외선(近赤外線)의 빛이면 된다. 빛의 파장이 이 한계파장보다 길면 그 빛은 반도체에 흡수되지 않고 투과된다. 한계파장보다 짧게 되면 그 빛을 이루는 광량자의 에너지는 가전자대역의 전자 즉 가전자(價電子)를 들뜨게 하는데 이용되어 반도체에 흡수된다. 광량자를 흡수하여 전도대역으로 상승된 전자와 그 뒤에 가전자대역에 남은 정공은 반도체 외부로부터 전기장이 인가되면 반도체 내부를 이동할 수 있어 그의 전기전도성이 증가된다. 이것이 광전도(光電導) 효과이다.

빛의 파장이 한계파장보다 조금 짧게 되면 빛은 강하게 흡수되기 때문에 전기전도성이 증가되는 부분은 반도체의 극히 표면에 가까운 부분만으로 한정된다. 따라서 반도체 전체에 이르러 전기전도성의 증가를 가져오게 하려면 한계파장에 매우 접근된 파장의 빛을 조사하여야 한다. 반도체에는 광전도효과 이외에도 빛의 조사로 전압을 발생하는 광기전력 효과(光起電力效果)가 있는데, 이것을 이용하면 미약한 빛을 감지할 수도 있고 태양전지나 기타의 광전지를 만들 수 있다.

인공위성에 적재한 태양전지, 벽지(僻地) 등에서 쓰이는 발전용 태양전지 등에는 규소나 비소화갈륨(GaAs) 등을 이용한 p-n 접합형 다이오드 등이 쓰인다. 반도체 속에 존재하는 전자와 정공이 결합하여 소멸될 경우 그의 과잉된 에너지에 비례하는 파장의 빛을 방출하게 되므로, 반도체는 발광소자로도 쓸 수 있다. 이와 같은 효과는 전자식 탁상계산기의 표시장치, 예컨대 발광 다이오드(LED)에 응용되기도 하고, 또 한 변이 1 mm보다 작은 사각형의 반도체 레이저를 만드는 데 이용하기도 한다.

지금도 새로운 반도체 재료와 현상들이 계속 개발되고 있으며, 트랜지스터 ·다이오드 ·집적회로소자 ·텔레비전수상관의 형광막 ·열전자 방출체 ·전자식 카메라 등 첨단 전자산업 부문에 매우 광범하게 응용되고 있다.

화학적 특성이라구요?
음...
반도체의 특성을 따질 때 일반적으로 화학적 특성을 따지지는 않습니다.
굳이 특성을 따진다면 전기적 특성이나 물리적 특성을 얘기하곤 합니다.
왜냐구요?
반도체라는 넘이 사용되는 최종목적이 결국은 전기소자 제작이니까요...^^할 수 없죠?
통상 반도체는 평상시에 나무같이 도체 상태이다가... 전기가 걸리거나 온도가 올라가면 도체 상태로 변하는 물질이죠.
반도체에는 메모리 반도체와 비메모리 반도체가 있는데 메모리 반도체는 우리가 흔히 쓰는 RAM이라든지 cd-ROM 이 있군요...그리고 비메모리 반도체에는 센서나 엑추에이터가 있네요.
하지만 메모리나 비메모리 반도체나 추구하는 목적은 한가지 밖에 없습니다.
바로 제조된 소자의 효율성이죠.
전기적 특성을 따진다면...
전류나 전압이 얼마나 쬐금만 걸려도 빨리 동작할 수 있을까...예를 들어 이런게 목표고요...
물리적 특성을 따진다면...
소자가 동작하면서 파괴되지는 않는지...혹은 원래 제조된 형태에서 시간이 지나갈수록 변형이 되지는 않는지(이 부분이 화학적 내구성에 포함될 수도 있겠군요. 하지만 화학적 특성으로 범주를 나누진 않습니다.^^)...이런게 목표가 될 수 있습니다.
모든 소자의 공통된 목적이죠...
도움이 되셨기를...^^

제가 아는 것은 이것 뿐입니다. 반도체 그 이름만 들어도 알 수 있듯이
반은 전기가 들어오고 또 반은 전기가 들어오지않는다는 것입니다.

실리콘 결정, 실리콘 산화막(SiO2), 증착하여 막 형성, 에칭 정도