반도체의 정의 및 요구사항

개요

반도체(Semiconductor)는 현대 전자공학의 핵심 물질입니다. 단순한 물질 분류가 아니라, 매우 정교하게 설계되고 제어될 수 있는 전자 특성을 가진 재료를 의미합니다.

1. 반도체의 기본 정의

1.1 전도도에 따른 분류

\sigma_{\text{insulator}} < \sigma_{\text{semiconductor}} < \sigma_{\text{conductor}}

재료 분류	전도도 (S/cm)	특징
금속 (Conductor)	~10⁶	항상 전도 상태
반도체	10⁻³ ~ 10³	제어 가능한 전도성
절연체 (Insulator)	~10⁻¹⁵	상온에서 거의 절연

1.2 에너지 밴드 구조에 따른 정의

E_g = E_C - E_V

여기서:

E_C: 전도대의 최소 에너지
E_V: 가전자대의 최대 에너지
E_g: 밴드갭 에너지

밴드갭의 크기에 따른 분류:

재료 분류	밴드갭 범위	특징
금속	Eg = 0 (대역 중첩)	항상 전도 상태
반도체	0.5 ~ 3.0 eV	제어 가능한 전도성
절연체	Eg > 5 eV	상온에서 거의 절연

1.3 온도에 따른 전도도의 급격한 변화

반도체:

\sigma(T) = \sigma_0 \exp\left(-\frac{E_g}{2k_B T}\right)

온도가 증가하면 전도도도 급격히 증가합니다.

금속과의 차이:

반도체: 온도 ↑ → 전도도 ↑ (열 여기 캐리어 증가)
금속: 온도 ↑ → 전도도 ↓ (격자 산란 증가)

2. 내재 반도체 (Intrinsic Semiconductor)

2.1 정의

도핑되지 않은 순수한 반도체 재료입니다.

예시: 고순도 Si, Ge

2.2 캐리어 농도

n_i = p_i = n_e = p_h

전자와 정공의 농도가 같습니다.

열에너지에 의해 가전자대의 전자가 전도대로 여기되면:

1개의 자유 전자 생성
1개의 정공(hole) 생성
항상 쌍으로 생성되므로 n = p

2.3 페르미 준위

E_{F,i} \approx \frac{E_C + E_V}{2}

밴드갭의 중앙에 위치합니다.

2.4 온도 의존성

n_i(T) \propto T^{3/2} \exp\left(-\frac{E_g}{2k_B T}\right)

실리콘 예시:

300 K: n_i ≈ 1.5 × 10¹⁰ cm⁻³
350 K: n_i ≈ 10배 증가
400 K: n_i ≈ 100배 증가

3. 외재 반도체 (Extrinsic Semiconductor)

3.1 도핑(Doping)의 개념

불순물 원자를 의도적으로 첨가하여 반도체의 전도도를 크게 증가시키는 공정입니다.

도핑 농도 범위:

불순물 농도: 10¹³ ~ 10¹⁸ cm⁻³
원래 원자: 5 × 10²² cm⁻³
도핑 비율: 10⁻⁶ ~ 10⁻⁴

극히 미량이지만, 전도도를 10¹⁰배 이상 조정할 수 있습니다.

3.2 N형 반도체 (N-type)

V족(5가전자) 원소를 도핑

예시: Si에 P(인) 또는 As(비소) 도핑

메커니즘:

\text{P} \rightarrow \text{P}^+ + e^-

다수 캐리어(Majority): 전자
소수 캐리어(Minority): 정공
이온화 에너지: ~45 meV
페르미 준위: 전도대 근처

3.3 P형 반도체 (P-type)

III족(3가전자) 원소를 도핑

예시: Si에 B(붕소) 또는 Al(알루미늄) 도핑

메커니즘:

\text{B} + e^- \rightarrow \text{B}^-

다수 캐리어(Majority): 정공
소수 캐리어(Minority): 전자
이온화 에너지: ~45 meV
페르미 준위: 가전자대 근처

3.4 온도 영역에 따른 전도도

영역	온도	특성
동결 영역	저온	도핑 원자 이온화 불완전
외재 영역	중간	모든 도핑 원자 이온화
내재 영역	고온	열 여기 캐리어 우세

4. 반도체 소자의 핵심 요구사항

4.1 전기적 요구사항

제어 가능한 전도도:

도핑 농도: 10¹³ ~ 10¹⁸ cm⁻³ 범위에서 선택
거의 절연체 → 거의 도체로 변환 가능
전도도를 10¹⁰배 이상 조정 가능

높은 이동도 (Carrier Mobility):

v_d = \mu E

재료	μ_e (cm²/V·s)	μ_h (cm²/V·s)
Si	~1350	~480
GaAs	~8500	~400
GaN	~1000	~200

4.2 광학적 요구사항

밴드갭과 파장:

\lambda = \frac{hc}{E_g}

광을 내보내야 하는 소자 (LED, Laser):

필수 조건: 직접 밴드갭
간접 갭에서는 포톤 방출 비효율

4.3 열적 요구사항

고온 동작:

밴드갭 감소 (온도 증가 → Eg 감소)
리크 전류 증가
소자 성능 저하

해결책:

광대역갭 반도체 사용 (Eg > 2 eV)
GaN, SiC 등

4.4 제조 가능성

조건:

결정화가 가능해야 함
높은 순도로 성장 가능해야 함
적절한 도너/수용체 원소 존재
양질의 계면 가능 (Si/SiO₂의 강점)

5. 요약

반도체 정의

도체와 절연체 사이의 전도도
0.5 ~ 3.0 eV 밴드갭
온도에 따라 전도도 급격히 변화

내재 vs 외재

내재: 순수 반도체, n = p
외재: 도핑된 반도체, N형 또는 P형

도핑

N형: V족 원소 → 전자 캐리어
P형: III족 원소 → 정공 캐리어

📚 참고문헌

Wikipedia, "Semiconductor"
Byjus, "Semiconductors"
LibreTexts, "Extrinsic Semiconductors"
Wafer World, "Semiconductor Classification Methods"