물질 기초 이론

반도체 소자에는 참 여러가지가 있는데요 유명한 것들을 한번 보자면 다이오드, BJT, MOSFET을 꼽을 수 있을 것 같네요.

이런 소자들을 조합해서 반도체를 만드는데 이 과정을 반도체 설계라고 하겠죠? 이렇게 설계를 해서 만들어진 제품들을 한번 둘러보면 CPU, Mobile AP, DRAM, Flash memory등등이 있겠네요. 

 

자 이런 무시무시? 한 것들을 배워보기전엔 소자들을 이루고 있는 물질들에 대해서 기초를 쌓을 필요가 있겠죠? 지금부터 시작하겠습니다!

 

처음은 간단하게 시작하죠 전기는 뭘까요? 

전기란 우리가 사용하는 에너지가 존재하는 하나의 형태입니다. 그렇담 전하는요? 전하란 어떤 물질이 가지고 있는 전기의 양이라고 할 수있죠. 전류는요? 단위시간당 움직이는 전하량입니다. 전류밀도(J)는요? 단위 면적당 이동한 전류 즉 I/A라고 할 수 있겠죠? 너무 쉽나요?ㅋㅋ 자자 처음엔 천천히 시작해 보자구요. 그렇다면 전하라는 건요 스스로 움직일 수가 없습니다. 전하를 옮겨주는 물질이 필요하죠. 그것을 바로 캐리어라고 합니다.

캐리어의 종류는 두가지가 있는데요 음전하를 띄면 전자, 양전하를 띄면 정공이라고 합니다.

 

다음 이야기를 해볼까요? 원자와 전자입니다.

원자란 화학 반응을 통해 더 쪼갤 수 없는 단위라는건 알고 계시겠죠? 그렇다면 원자는 뭘로 구성되어 있을까요? 

바로 원자핵(양성자+중성자)+전자로 구성되어 있습니다. 일반적으론 양성자 개수와 중성자 개수는 같은데요 예외적으론 수소는 중성자를 가지고 있진 않습니다. 또한 일부 원소들은 중성자가 몇개더 있는경우도 있구요 이런걸 동위원소라고 하죠. 전자는 음의 전하를 띄고 있는 기본입자 인데요 원자핵에 비해서 1000배이상 가볍습니다. 그렇기에 다른 원자로의 이동이 상대적으로 쉽다고 할 수 있죠. 이렇게 전자가 이동하면서 많은 화학적 결합을 만들어 냅니다. 참고로 원자는 외부의 영향이 없을때는 평형 즉 중성을 띄는데요 전자가 음의 전하를 띄고 있으니 양성자는 +전하를 띄고 있겠죠?

 

다음은 전기에너지, 전압, 전계(전기장,전위밀도) 이야기인데요.

에너지는 포텐셜 에너지와 운동에너지의 합으로 이루어져 있는데요.

전기에너지, 포텐셜 에너지라고도 하죠? 풀어서 말하자면 q라는 양의 전기를 가진 전하의 위치 에너지 인데요(U) 수식으로 써본다면 U = q V(전압) 이라고 쓸 수 있겠네요 그렇다면 이 수식에 써있는 V(전압)은요?

전압이란 전기적 위치에너지의 차이입니다. 즉 흔히 전위차라고 하죠?

다음은 Electric filed 한국말로 전계, 전기장이라고 하죠. 전기장이란 단위 전하가 받는 전기력을 뜻하죠

익숙한 식이 하나 나오는데요 E = F/q 기억나시죠? 

그렇다면 몇가지 식을 더 기억해줘야는데요 E = -del V --> E = V/d

여기 식에 존재하는 (-)는요 전기장의 크기가 음의 값이라고 생각하시면 안됩니다. 방향이 반대라는 뜻이에요. 전기장 안에서 전자와 정공의 방향은 서로 반대잖아요? 즉 정공이 움직이는 방향을 설명하고 싶기때문에 -를 붙였다? 전 그렇게 이해하고 있는 중입니다.

전기장은 전압이 높은곳(+)에서 낮은곳(+)으로 생깁니다. 그렇다면 정공은 전압이 높은데서 낮은데로 움직이고 전자는 전압이 낮은데에서 높은데로 움직인다고도 설명이 가능하겠네요.

한가지 더 V(볼트)는 전압을 나타낼때 쓰는 단위죠? eV는 어떠한 전압 만큼의 에너지를 나타낼때 사용하는 단위랍니다. 음 전압에 단위 전하를 곱한상태 qV를 적을땐 뒤에 단위에 V(볼트)가 아니라 eV를 써줘야한다는 것이죠. 이것은 electron의 운동에너지를 나타내겠습니다.

 

이제 원자 모형의 역사에 대해 간단히 알아볼께요

1)돌턴모형

2)톰슨모형: 음극선 실험 설명가능해짐-> 전자발견

3)러더퍼드 모형: 알파입자 산란 실험 설명 가능해짐->원자핵 발견

3)보어모형: 수소선 스팩트럼 실험 설명 가능->전자가 가질 수 있는 에너지 준위는 정해져 있다.

4)현대 원자 모형: 수소말고 다른 원자들은 스팩트럼이 불규칙적임->원자핵 주위에 전자가 발견될 확률 분포는 구름의 형태임(오비탈), 중성자 발견

원소의 주기율표도 좀 해석할 능력이 있어야겠죠? 주기율표는 원소들을 양성자의 개수에 따라서 배열했는데요(=전자의 수) 족은 최외각 전자수를 의미하고 주기는 최외각 껍질을 의미하겠습니디. 이때 3족에서 12족까지는 제외를 합니다 즉 1족 2족 하고 13족으로 넘어가는 거죠 편의상 13족 부터 3족이라고 의미한다고 생각하시면 편하겠네요.

여기서 현대 반도체에서 사용하는 원소는 14족원소들을 이용하는데요 이는 옥텟 규칙과 관련이 있습니다. 옥텟규칙이란 최외각 전자가 8개가 될때 물질이 안정적인 형태로 존재한다는 규칙입니 14족 원소들은 같은 원소들끼리 공유 결합을 하면 옥텟규칙을 딱 만족시켜 안정한 상태가 가능하기 때문이죠.

원소에 있는 최외각 전자들은 가전자라고도 부르는데 이들은 자유롭게 움직일 수 없습니다.  다만 자유전자라고 하는 녀석은 원자핵과의 인력을 벗어나 움직임이 자류로운 녀석인데요 이 자유전자가 이동하고 남은 자리를 정공이라고 하죠. 전자와 반대 방향으로 움직이는 입자로 가정한 겁니다.

 

물질들을 3D로 보면 크게 4가지로 나눌 수 있는데 SC, FCC, BCC, HCP로 나눌 수 있죠, 그중 반도체에 쓰이는 실리콘은 FCC결합 구조를 가지고 있습니다.

여기서 오비탈이란 것이 등장하는데 보어의 모형에서는 전자의 에너지가 양자화 되어있다고 주장했지만 이는 수소원자를 제외하면 적용되지 못합니다. 그러기에 현대의 원자 모형과 오비탈이 등장합니다.

 

오비탈 즉 부양장수라고 하죠 원자의 껍질의 순서는 주양자수라고 하구요. 오비탈은 s, p, d, f 등등 있는데요 주양자수가 1인곳에는 s오비탈 2에는 s,p 3에는 s, p, d ... 이렇게 존재합니다. 자세한건 부양자수 주양자수에 대해서 한번 검색해보시는걸 추천드립니다. 이 오비탈은 하이젠베르크의 불확정성의 원리에서 출발하는데요 전자의 정확한 위치는 측정할 수 없다는 이론입니다. 우리가 전자의 위치를 알려고 빛이나 다른 에너지를 주게되면 전자는 그 자리에 존재하지 않는다는 것이죠. 그래서 우리는 전자의 정확학 위치를 알 수가 없습니다. 그래서 오로지 확률만을 측정할 수 있는데 여기서 오비탈이라는 개념을 끌어오게 된 것이죠.

 

실리콘 원자는 14개의 전자를 보유하고 있고 4개의 empty state가 존재합니다. 이런 실리콘 원자들이 많이 모여 격자를 이루게 되면 오비탈들이 계속 겹치게 되어서 에너지 밴드를 이루게 되는데요. 이 에너지 밴드는 전도대(전자가 비어 있음)와 가전자대(전자가 채워져 있지만 Total 전류는 0)로 구분됩니다.

이 에너지 밴드에 에너지를 가할 수 있겠죠? 우리는 주로 전압을 가해 줍니다. 다만 양의 전압이냐 음의 전압이냐에 따라서 밴의 움직임이 다른데요 양의 전압을 가하면 에너지 밴드는 내려가는데요 전자가 가질 수 있는 포텐셜 에너지가 감소하는 것이죠, 음의 전압을 가하면 에너지 밴드가 상대적으로 올라갑니다.이를 순방향 바이어스 역방향 바이어스라고도 부릅니다.