[반도체 기초] 개념과 재료특성

1. 반도체의 개념

1) 반도체(Semiconductor): 전기전도도(단위[S/m]) 값을 임의로 조절 가능한 물질

 

2) 전기 전도도를 조절하는 방법

- 빛, 온도 -> 국소적인 전기전도도 조절이 어려움

- 불순물을 주입: 도핑 -> 이후에는 변동 불가

- 외부전계를 인가하여 자유전자(혹은 정공)의 개수를 조절

-> 반도체 소자 제작 이후에도 국소적으로 전기전도도의 조절 가능

 

<전기전도도 비교>

부도체 < 반도체 < 도체

 

전기전도도의 값을 임의로 조절하여 도체 혹은 부도체 만큼의 전기전도도를 얻을 수 있음

 

3) 아날로그신호

- 시간에 따라 연속적으로(Contuious)변화하는 신호

- 자연계의 대부분의 신호

 

4) 디지털 신호

- High(5V이하) 및 Low(0V), 참 혹은 거짓, 0 or 1과 같이 이산적(Discrete)으로 구별되는 신호

- 디지털 신호의 0과 1을 구현하는 기본요소 ->트랜지스터

 

5) 반도체 산업

- 반도체 산업=메모리 산업이 X

- 시스템 반도체(Logic, 아날로그IC, 광학 회로와 센서 등)

- 개별 소자도 생산

- 메모리 반도체가 25% 정도

- 실리콘 외에도 많은 재료가 사용됨

*실리콘(Si)

-> 1960년대부터 반도체 재료로 사용, 저렴함(지구상25%), 게르마늄(Ge)에 비해 동작온도 범위가 넓음

, 산소와 반응하여 자연적으로 산화막(SiO ₂) 형성

But 특성의 한계로 인해 대체물질 연구 활발히 진행중

 

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2. 반도체 재료의 특성

1) 실리콘의 결정 구조

-원소마다 4개의 최외각 전자 존재, 주변 원소의 전자와 공유결합

 

2) 트랜지스터

- 반도체를 이용해 전자신호 및 전력을 증폭하거나 스위칭하는데 사용되는 반도체 소자

- 보통 세 개의 전극을 보유, 1개의 전극에서 나머지 2개 전극사이의 전기 전도도를 제어함

(기판 아래 몸체 전극을 4번째 전극으로 활용할 수 있음)

- 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor:BJTs)와 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistors:FETs)로 구분 

-> MOSFET을 대표적인 트랜지스터로 활용

 

3) 밴드갭(Band Gap)

- 결정질 고체 재료: 원소들의 규칙적 배열- >에너지밴드 이론

- 밴드갭 (Band Gap)

자유전자가 될 수 있는 (Conduction Band)와 전자가 속박되어있는(Valance Band) 사이의 전자가 존재할 수 없는 영역

: 반도체의 경우 밴드갭이 너무 크지 않은 물질을 말함

- 페르미 레벨: 에너지 밴드에서 전자가 존재할 확률로 도핑이 되지 않은 결정질 반도체의 경우 정 가운데 위치

*도핑을 하면 페르미 레벨이 이동함

- 도체의 경우 밴드갭이 거의 존재하지 않음,

- 실리콘의 경우 상온에서 전자의 여기(Exciation)가 가능함. 즉 자유전자가 존재함

- 실리콘 다이옥사이드 (SiO ₂) 는 부도체의 성질을 가짐

- 실리콘 반도체의 도핑 농도가 클수록 비저항이 낮아지고, 전기전도도는 상승함.

- N형 반도체의 경우 자유전자의 농도가 높아지고, P형 반도체의 경우 정공(Hole)의 농도가 높아지기 때문

 

4) MOSFET

 - Inversion Mode로 동작함

- N형 반도체 기판 -> P형 MOSFET

- P형 반도체 기판 -> N형 MOSFET

이러한 MOSFET을 활용해 CMOS 인버터 회로를 구성할 수 있음

*가장 기본적인 논리회로로 입력에 0,1이 들어가면 그와 반대인0,1이 출력됨

- Vdd와 Vss는 양의 전원 전압과 접지로 이해

*동작원리

N-MOSFET의 경우에는 게이트 단자에 High, 즉 약 5V의 전압이 인가되면 전기전도도가 증가하지만,

P-MOSFET의 경우에는 전기전도도가 낮아져 부도체처럼 동작함. 이렇게되면 Vss=Vout이 되어 결과적으로 Vout에 Vss가 출력되므로 논리 회로로서 Low가 출력됨.

반대로 Vin에 Low(약0V)가 인가되면 P-MOSFET은 도체, N-MOSFET은 부도체로 동작해 Vout에 Vdd가 걸려 High가 출력됨

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결론:반도체의 특성을 활용해 트랜지스터를 제작하고, 트랜지스터를 활용해 디지털 논리회로를 구현할 수 있음