반도체의 전기적 특성
반도체는 일정한 전기적 특성을 가진 물질입니다. 물질에는 전기를 통하는 "도체"와 전기를 통하지 않는 " 절연체 "가 있으며, 반도체는 그 중간의 성질을 갖춘 물질입니다.
전기적 특성을 나타내는 것으로 저항률이 있습니다. 도체는 저항이 낮고 전기가 통과하기 쉬운 금, 은, 구리 등이 상당합니다. 절연체는 저항이 높고 전기가 통과하기 어려운 고무, 유리, 세라믹 등이 있습니다. 이러한 중간 특성을 갖춘 반도체는 온도에 따라 저항률이 변화합니다. 저온에서는 거의 전기를 통과시키지 않지만 온도가 상승함에 따라 전기가 통과하기 쉬워집니다. 또한 불순물을 거의 포함하지 않은 상태의 반도체는 거의 전기를 통과하지 않습니다. 그러나, 어떤 종류의 원소 등을 포함시킴으로써 전기를 통과하기 쉬워집니다. 이러한 특성은 많은 전기 제품을 제어하는 데 매우 유용합니다.
반도체 조성 및 주요 용도
반도체에는 단일 원소로 구성된 "원소 반도체"가 있으며, 반도체 재료로 잘 알려진 실리콘 등이 포함됩니다. 이에 대해 2종류 이상의 화합물로 이루어지는 것은 화합물 반도체라고 불리며, 반도체 레이저나 발광 다이오드등에 사용되고 있습니다.
에너지밴드와 전기 전도의 구조
원자는 원자핵과 그 주위의 궤도상의 전자로 구성된다. 각 궤도는 불연속적인 날아가는 값을가집니다. 전자가 취할 수 있는 에너지를 에너지 준위라고 부릅니다. 원자가 다수 모여 결정을 구성하면 이 에너지 준위가 연속적으로 분포하여 밴드(띠) 형태의 준위를 만든다. 이것이 에너지 밴드입니다. 금속, 반도체, 절연물의 밴드 구조를 비교하면 다음과 같습니다.
금속에서는 밴드 중에 페르미 준위(Ef)가 있고, 가전자를 포함한 밴드 내에 빈 준위가 있다. 이 때문에 금속에서는 가전자가 그대로 전도전자(자유전자)가 됩니다.한편 반도체나 절연체에서는, 전도체와 가전자대 사이의 금제대의 밴드갭(Eg) 중에 페르미 준위(Ef)가 존재하기 때문에, 가전자에 밴드갭을 넘는 에너지를 주면 가전자 띠에서 전도대로 여기하면 처음으로 전도 전자를 얻을 수 있습니다.
반도체는 상온에서 열 등의 운동 에너지에 의해 가전자대의 전자의 일부가 전도대에 여기됨으로써 약간의 전기 전도를 나타냅니다. 또, 가전자대로부터 여기한 전자의 벗겨진 껍질에 홀(정공)이 발생해, 양의 하전 입자와 같이 행동해 전기 전도에 기여합니다. 진성 반도체 등 고순도의 반도체는, 절대 영도에서는, 전자는 전도대에 여기되지 않고, 도전성은 나타내지 않습니다.절연체에서는 밴드갭(Eg)이 가전자의 운동에너지보다 상당히 크기 때문에 전도체에 가전자가 전이되지 않고 전기전도가 발생하지 않는다.
절연체와 반도체의 차이는이 밴드 갭 (Eg)의 크기의 차이입니다. 밴드 갭(Eg)이 클수록 저항 값이 높아집니다. IC등에 사용되는 반도체의 결정은, 99.99%와 9가 11자리도 늘어선, 고순도의 단결정 실리콘입니다만, 이것으로 실제로 회로를 만드는 경우는, 불순물(첨가물)을 더해 전기적 성질 를 제어하고 사용하고 있습니다. 추가하는 불순물에 따라 n형, p형 반도체가 됩니다. n형 반도체에는 고순도 실리콘에 5가 인(P)이나 비소(As)가 첨가되어 있습니다. 이러한 불순물은 기증자라고 부릅니다. 기증자의 에너지 레벨은 전도대에 가까운 위치, 즉 에너지 갭의 작은 위치에 있습니다. 그러면 이 에너지 레벨에 있는 전자는 쉽게 전도대까지 여기되어 전기 전도에 기여합니다. 한편 p형 반도체에는 3가의 붕소(B) 등이 첨가되어 있습니다. 이를 억셉터라고 부릅니다. 억셉터의 에너지 레벨은 가전자대에 가까운 위치에 있다. 여기에는 원래 전자가 없으므로 원자가 밴드의 전자가 여기에 여기됩니다. 그 결과 가전자대에 정공(홀)이 생겨 전기전도에 기여합니다.
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