1. 반도체
: 반도체를 한 문장으로 설명하자면, Gate 에 걸리는 전압에 따라 도체가 되기도 하고
부도체가 되기도 하는 전기적 스위치다.
다시 말하면, 외부의 제어에 따라 도체가 되기도 하고 부도체가 되기도 한다.
2. 에너지 밴드
: 에너지 밴드란 결정내에서 전하(전자,정공)가 자유롭게 이동할 수 있는 대역이다.
이 에너지 밴드는 3가지 대역으로 분류가 가능하다.
① 가전자대/충만대 (Valence Band)
: 반도체나 부도체에서 가전자에 의해 채워진 에너지 밴드
② 금지대 (Forbidden Band)
: 전자가 존재할 수 없는 금지 영역으로, 에너지 밴드를 분리시키는 밴드 갭(Band gap)
③ 전도대 (Conduction Band)
: 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 레벨의 에너지 밴드
(외부 에너지를 받아서 가전자대에서 금지대를 넘어 자유롭게 움직일 수 있어서 전도성을 나타냄)
④ 페르미 준위(Fermi Level)
: 고체 내의 전자 상태를 나타내기 위해 전자의 존재 확률이 1/2이 되는 에너지 준위
(가전자대와 전도대 사이 금지대의 중간에 전자가 위치할 확률)
(전자의 존재확률이 1/2이 되는 에너지 레벨)
2-1. 도체, 반도체, 부도체의 에너지 밴드 (갭 구조에 따른 분류)
① 도체(금속)
: 전도대와 가전자대가 겹쳐있고, 금지대가 없음
② 반도체
: 전도대가 비어있고, 가전자대는 전자로 채워져 있음
금지대 폭이 좁아, 밴드갭이 작음 (0.2~2eV) → 에너지나 불순물을 주입해야 전류가 흐를 수 있음
③ 부도체(절연체)
: 전도대가 완전히 비어 있고, 가전자대는 전자로 채워져 있음
금지대 폭이 매우 넓음, 밴드갭이 반도체에 비해 훨씬 큼 (3.6eV 이상) → 전도대로 올라갈 수 없음
3. 반도체의 제어 방법 (화학적 방법/전기적 방법)
ⓐ 불순물 주입 (화학적 방법)
: 반도체에 전류가 흐르게 하려면 앞에서 말했듯이 불순물 주입(Doping)이 필요하다.
주입한 불순물(Dopant)의 종류에 따라 전기적 특성이 변하게 되고, 전류가 흐를 수 있게 된다.
불순물 반도체에는 N형 반도체와 P형 반도체가 있고, 이 둘을 접합시켜 사용하는 방법도 있다.
① 진성 반도체 (Intrinsic semiconductor)
: 다른 물질의 혼입이 없고 안정된 상태에 있는 반도체
대표적으로 Si, Ge. 밴드갭 1.12eV (Si). 페르미 준위가 중앙에 위치
② N형 반도체 (자유전자를 주입하는 방법)
: Si이 있던 자리를 P가 대체 (Doner)
→ P에 있는 전자의 개수가 5개이므로, 가전자대를 채우더라도 1개의 전자가 남게 되는데,
이 남은 전자는 실리콘 결정의 전도대를 채우면서 자유전자 역할을 하게 됨.
ED (도너 준위) : Doner 불순물에 의한 준위
EF (페르미 준위) 가 EC와 ED 사이로 이동
③ P형 반도체 (자유전자를 빼앗는 방법)
: Si이 있던 자리를 B가 대체 (Acceptor)
→ B에 있는 전자의 개수가 3개이므로, B의 숫자만큼 가전자대 속의 전자가 비게 되는데,
이는 Si이 B에게 전자를 하나를 빼앗겼다고 생각할 수 있고, 이 경우에 속박되어 있던 전자 하나가
B에 의해 발생한 가전자대의 빈자리에 들어갈 수 있게 되면서 반도체에 전류가 흐르게 됨.
EA (억셉터 준위) : Acceptor 불순물에 의한 준위
EF (페르미 준위) 가 EA 와 EV 사이로 이동
ⓑ 제어 (전기적 방법)
: 전기장(Electric field)을 활용하는 방법으로, 금속에 특정 전압을 줘서 반도체 표면의 저항을 제어
금속-산화물-반도체 게이트 (Metal-Oxide-Semiconductor Gate,MOS Gate)라고 부른다.
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