원소 주기율표에서의 위치 (IVa족·III-V족)

개요

반도체 재료는 주기율표에서 특정 위치에 집중되어 있습니다. IV족 원소는 원소 반도체를, III-V족 및 II-VI족 화합물은 화합물 반도체를 형성합니다. 이러한 주기율표상 위치는 반도체의 전자 구조와 결합 특성을 결정합니다.

1. 주기율표와 반도체

1.1 반도체에 사용되는 주요 족

IV족 (Group IV, 14족):

C, Si, Ge, Sn, Pb
4개 가전자
순수 공유결합

III족 (Group III, 13족):

B, Al, Ga, In, Tl
3개 가전자

V족 (Group V, 15족):

N, P, As, Sb, Bi
5개 가전자

II족 (Group II, 12족):

Zn, Cd, Hg
2개 가전자

VI족 (Group VI, 16족):

O, S, Se, Te
6개 가전자

1.2 반도체 재료의 분포

     II    III    IV     V     VI
    ─────────────────────────────
2        B     C      N
3        Al    Si     P      S
4   Zn   Ga    Ge     As     Se
5   Cd   In    Sn     Sb     Te
6   Hg   Tl    Pb     Bi

2. IV족 원소 반도체

2.1 특성

공통 특징:

4개 가전자 → 4개 공유결합
다이아몬드 입방정계 구조
sp³ 혼성
순수 공유결합 (비극성)

2.2 주요 원소

원소	밴드갭 (eV)	갭 유형	특징
C (다이아몬드)	~5.5	직접	매우 넓은 밴드갭, 초경
Si	1.12	간접	반도체 산업의 주축
Ge	0.66	간접	고속 소자, IR 검출
α-Sn (회주석)	0.08	간접	상온에서 불안정

2.3 주기율표 아래로 내려갈수록

밴드갭 감소: C(5.5) > Si(1.12) > Ge(0.66) > Sn(0.08)
원자 반지름 증가
격자 상수 증가: Si(5.43) < Ge(5.66) Å
이동도 증가: Si < Ge

3. III-V족 화합물 반도체

3.1 형성 원리

평균 가전자 수 = 4:

\frac{3 + 5}{2} = 4 \text{ 가전자}

III족(3개) + V족(5개) = 평균 4개 가전자

→ IV족과 유사한 정사면체 결합 형성

3.2 결정 구조

아연 섬석 구조 (Zinc Blende):

FCC 격자 + 2개 다른 원자 기초
각 원자: 4개 이웃과 정사면체 배치
극성 공유결합

3.3 주요 III-V 화합물

화합물	밴드갭 (eV)	갭 유형	주요 응용
BN	6.4	-	고온/고전압
AlN	6.2	직접	UV 소자
GaN	3.44	직접	청색 LED, 고전력
AlAs	2.16	간접	헤테로 구조
GaP	2.26	간접	녹색 LED (N 도핑)
GaAs	1.43	직접	LED, Laser, RF
InP	1.34	직접	광통신
InAs	0.36	직접	IR 검출
InSb	0.17	직접	IR 검출

3.4 특성 경향

같은 III족 원소 (Al, Ga, In 합금):

밴드갭 조정 가능
Al 증가 → 밴드갭 증가
In 증가 → 밴드갭 감소

예: Al_xGa_{1-x}As

x = 0: GaAs (1.43 eV)
x = 0.45: (1.99 eV, 직접→간접 전이점)
x = 1: AlAs (2.16 eV)

4. II-VI족 화합물 반도체

4.1 형성 원리

평균 가전자 수 = 4:

\frac{2 + 6}{2} = 4 \text{ 가전자}

II족(2개) + VI족(6개) = 평균 4개 가전자

4.2 결합 특성

더 높은 이온성 (III-V보다)
전기음성도 차이 더 큼
밴드갭 일반적으로 더 넓음

4.3 주요 II-VI 화합물

화합물	밴드갭 (eV)	주요 응용
ZnO	3.37	투명 전극, 센서
ZnS	3.68	형광체
ZnSe	2.7	청색/자주색 LED
ZnTe	2.26	태양전지
CdS	2.42	광전지
CdSe	1.74	양자점, 디스플레이
CdTe	1.5	태양전지
HgTe	-0.26	IR 검출 (세미메탈)

5. 주기율표 위치와 물성의 관계

5.1 밴드갭과 원자번호

같은 족 (위→아래):

원자번호 증가 → 밴드갭 감소
예: AlN(6.2) > GaN(3.4) > InN(0.7)

같은 주기 (좌→우):

일반적으로 밴드갭 증가
전기음성도 증가

5.2 격자 상수

같은 족 (위→아래):

원자번호 증가 → 격자 상수 증가
예: GaAs(5.65) < InAs(6.06) Å

5.3 이온성

전기음성도 차이 증가:

IV족 < III-V < II-VI
이온성: Si(0%) < GaAs(~22%) < ZnSe(~40%)

6. 도핑 원소의 선택

6.1 치환 도핑 원리

N형 도핑 (전자 도너):

IV족 반도체에 V족 원소 도핑
예: Si에 P(인), As(비소)

P형 도핑 (정공 수용체):

IV족 반도체에 III족 원소 도핑
예: Si에 B(붕소), Al(알루미늄)

6.2 III-V 화합물의 도핑

N형 도핑:

V족 자리에 VI족 원소 (예: S, Se, Te)
또는 III족 자리에 IV족 원소 (예: Si, Sn)

P형 도핑:

V족 자리에 IV족 원소 (예: C, Si)
또는 III족 자리에 II족 원소 (예: Zn, Cd)

7. 합금과 밴드갭 엔지니어링

7.1 삼원 합금

III-V 삼원 합금:

Al_xGa_{1-x}As: 밴드갭 1.43 ~ 2.16 eV
In_xGa_{1-x}As: 밴드갭 0.36 ~ 1.43 eV
GaAs_xP_{1-x}: 밴드갭 1.43 ~ 2.26 eV

7.2 사원 합금

더 정밀한 제어:

In_xGa_{1-x}As_yP_{1-y}
격자 상수와 밴드갭 독립적 조절 가능
광통신 파장 (1.3, 1.55 μm) 정밀 매칭

8. 요약

IV족 원소 반도체

C, Si, Ge, Sn
4개 가전자, 순수 공유결합
다이아몬드 구조

III-V족 화합물 반도체

(3 + 5)/2 = 4 평균 가전자
아연 섬석 구조
극성 공유결합
직접 밴드갭 다수 (광소자에 적합)

II-VI족 화합물 반도체

(2 + 6)/2 = 4 평균 가전자
더 높은 이온성
넓은 밴드갭

주기율표 경향

아래로: 밴드갭 감소, 격자 상수 증가
오른쪽으로: 전기음성도 증가

📚 참고문헌

D.A. Neamen, "Semiconductor Physics and Devices"
Wikipedia, "List of Semiconductor Materials"
Ioffe Institute, "Semiconductor Database"
LibreTexts, "Compound Semiconductors"