본문내용
1. 도체와 반도체의 면저항 측정
1.1. 실험 목적
이 실험의 목적은 비저항, 면저항 등의 개념을 확실히 알고, 서로 다른 시편의 면저항을 측정한 후 각각의 시편의 면저항이 왜 다른지 생각해보고 어떤 재료를 사용하여 설계하고자 할 때 가장 적합한 재료를 선택할 수 있는 능력을 키우는데 있다. 또한 박막형태의 재료들의 면저항을 측정해보고, 재료의 전기적 특성을 분석해 다양한 공학 분야에 적용시켜 이용하기 위함이다.
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 면저항 및 비저항
면저항은 단위 ohm/sq로 표시되며, 여기서 sq는 ㅁ로도 표시된다. 미터법(cm2 등)이 아닌 별도의 단위로서, 무한대의 면적으로 해석하는 것이 일반적이다. 선저항은 두 개의 프로브로 임의의 거리에 대한 저항을 측정하지만, 면저항의 경우에는 동일한 간격의 4개 탐침으로 측정하게 된다.
비저항은 단위면적당 단위길이 당 저항이며, 물질에 따라 다른 값을 가지고 있다. 비저항의 단위는 MKS 단위계에서 Ωm이다. 비저항은 물질이 얼마나 전류를 잘 흐르게 하는가에 대한 양인 전도율과 역수 관계(비저항=1/전도율)에 있다.
즉, 면저항은 특정 면적에 대한 저항 값을 나타내는 단위인 반면, 비저항은 물질 고유의 전기적 특성을 나타내는 단위라고 할 수 있다.
1.2.2. 도체와 반도체의 전기적 특성
도체와 반도체의 전기적 특성은 물질의 에너지 밴드 구조에 기인한다. 우수한 도체인 대부분의 금속은 전자가 존재하는 가전자대와 전자가 전기전도에 참여할 수 있는 전도대가 겹쳐있거나 그 에너지차이가 아주 작아 쉽게 자유전자를 형성할 수 있는 구조를 가지고 있다. 이로 인해 금속에서 전자, 특히 자유전자인 최외각 전자는 전기전도에 중요한 역할을 한다. 금속에서는 이 자유전자가 전하 운반자 역할을 하며 전기전도도가 매우 높다.
반면 부도체와 반도체의 경우, 가전자대와 전도대의 에너지차이가 커서 자유전자를 여기시키기가 매우 어려워 비저항이 매우 크다. 그중 반도체는 밴드갭 에너지만큼의 에너지를 가해줄 경우 전자의 여기로 자유전자가 생성되어 전기전도성을 나타내는 물질이다. 진성반도체의 경우 자기장을 걸어주면 공유결합 중 약하게 결합되어 있던 전자들이 여기되어 자유전자의 역할을 하며, 도체인 금속에 비해 그 수는 매우 적다. 도핑을 통해 만들어진 외인성반도체는 불순물에 의해 다수 운반자와 소수 운반자가 결정되며, 이에 따라 전기전도도가 달라진다.
따라서 도체와 반도체의 전기적 특성은 물질의 에너지 밴드 구조에 따라 크게 차이가 나며, 이는 전자의 여기 및 이동 특성의 차이에서 기인한다고 볼 수 있다.
1.3. 실험 준비물
실험 준비물은 금속 호일, 반도체 FTO 기판, 휴대용 4 point probe이다.
금속 호일과 반도체 FTO 기판은 도체와 반도체의 면저항을 측정하기 위한 시편으로 사용된다. 휴대용 4 point probe는 도체와 반도체의 면저항을 측정하는 데 사용되는 실험 장비이다.
1.4. 실험 방법
실험 방법은 다음과 같다."
실험 A.
1. 휴대용 4 point probe를 이용하여 금속과 반도체의 면저항을 측정한다.
2. 금속과 반도체의 전기적 특성과 연관지어, 두 값을 비교하여 본다.
실험 준비물은 금속 호일, 반도체 FTO 기판, 휴대용 4 point probe이다.
실험 시 주의사항으로는 1) 실험이 끝나면 장비는 원래의 위치로 놓고, 주위를 정리정돈 한다. 2) 실험으로 얻은 데이터는 즉시 기록하며, 실험에 사용한 계측기의 이름과 일련번호, 주위환경 등을 기록한다. 3) 데이터를 이용한 계산은 계측기의 정밀도를 참작하여 적당한 자릿수까지 산출한다.
1.5. 실험 결과 및 고찰
1.5.1. 도체와 반도체의 면저항 비교
도체와 반도체는 전기적 특성이 상이하여 면저항 값의 차이가 크게 나타난다. 도체의 경우 자유전자가 풍부하여 전기를 잘 통과시키므로 면저항이 매우 낮은 편이다. 반면, 반도체는 자유전자가 상대적으로 부족하여 전기 전도성이 낮아 면저항이 높게 측정된다.
구체적으로 살펴보면, 금속과 같은 도체의 면저항은 대체로 1Ω/□ 미만의 매우 낮은 값을 가진다. 이는 도체 내부의 자유전자가 풍부하여 전류가 쉽게 흐르기 때문이다. 반면 순수 실리콘과 같은 반도체의 경우 면저항이 약 100Ω/□ 수준으로 매우 높게 나타난다. 이는 반도체 내부의 자유전자가 부족하여 전류 흐름이 어렵기 때문이다.
이처럼 도체와 반도체의 면저항 차이는 각 물질의 에너지 밴드 구조와 관련이 깊다. 도체는 가전자대와 전도대가 중첩되어 있어 자유전자가 풍부하지만, 반도체는 두 대역 사이의 에너지 차이(밴드갭)로 인해 자유전자가 부족하다. 따라서 동일한 크기의 시료라도 도체는 낮은 면저항을, 반도체는 높은 면저항을 나타내게 되는 것이다.
1.5.2. 면저항과 비저항의 관계 설명
면저항과 비저항의 관계는 다음과 같다.
면저항은 단위 면적당 저항값을 의미하며, 단위는 Ω/□으로 표시된다. 여기서 □는 무차원의 단위로, 면적에 대한 개념이 포함되어 있다. 즉, 면저항은 도체나 반도체 물질의 전기적 특성을 나타내는 중요한 지표 중 하나이다.
반면 비저항은 도체나 반도체 물질의 고유한 전기적 특성을 나타내는 값으...
