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[띠 이론] 반도체란 무엇인가?

반도체란 무엇인가?1.도체, 부도체 그리고 반도체 /2. 에너지 밴드의 구조 /3.순수 반도체와 불순물 반도체1.도체, 부도체 그리고 반도체몇 년 전 우리 나라의 과학기술처 장관이 반도체가 무엇이라는 질문에 전기를 반만 흘러주는 것이 반도체라는 말도 안되는 말을 했던 적이있습니다.그럼 반도체는 과연 무엇일까요?먼저, 전도율을 가지고 설명을 해보죠.재료는 전기적으로 도체와 부도체(혹은 절연체), 그리고 반도체로 나뉩니다.(사실 이것을 나누는 경계가 아주 명확한 것은 아닙니다.)도체란 간단히 말해서, 전기가 잘 통하는 물체입니다.대부분 금속과 같은 재료는 자유 전자에 의해서 전기가 전달이 됩니다.부도체는 이와는 반대로 전기가 잘 통하지 않는 물체입니다.이들은 자유전자가 없거나, 분자나 원자간의 결합에 의해 강하게 속박되어 있어서, 전기를 전달하여 주지 못합니다.반도체는 말 그대로 부도체와 도체의 성질의 중간적인 성질을 가지는 물체입니다.(상온에서 말이죠)단, 여기서 주의하셔야 할 것은 온도에 따라서 이러한 성질은 달라진다는 것입니다. 대체적으로 온도가 올라가면 도체(전기가 잘 통하는 은이나 구리같은 금속 종류들)는 저항이 커지기 때문에(모든 재료는 열을 받으면 원자가 제자리에서 진동을 하는데, 이것이 전기가 통하는 것을 방해 하지요.) 도전율(간단히 말해서 전기를 통하는 정도)이 낮아 집니다. 하지만, 반도체는 온도가 올라가면 오히려 도전율은 커지게 됩니다.(이것은 아래의 에너지 갭에서 설명됩니다.)따라서 고온이 되면 거의 반도체라고 말할 수 없을 만큼 도전율이 높아 지게 되죠.또 하나 알아 둘 것은 절연체라고 해서 도전율이 0인 것은 아닙니다. 저항은 일반적으로 도전율의 역수(즉 1/도전율)로 나타나는데, 이 식에 따라서 도전율이 높으면, 저항은 작아지고, 도전율이 작으면, 저항은 커지게 됩니다. 따라서 절연체들은 전기를 전달해주는 능력이 아주 적은 것이죠.( 따라서 우리는 전기가 통하지 않는 다고 느끼게 도는 것이죠.)실제로 반도체의 저항률은 10-4 ~ 107 (ohn-cm)사이에 있으며, 도체의 경우 대략 10-4 (ohm-cm) 이하 , 절연체는 108 (ohm-cm) 이상의 저향률을 가지고 있읍니다.이러한 반도체는 원소 주기율표의 제 4족및 그 옆에 속하는 물질 들이며,이 제 4족에 속하는 반도체인 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge) 은 원소 반도체 라고 하며, 단일 종류의 원자 들로만 이루어져 있읍니다. 이들 외에 제3족 과 제 5족에 속하는 원다들의 화합물 또는 일부 제 2족과 6족에 속하는 원자들의 화합물은 금속간 또는 화합물 반도체를 만듭니다.{원소4족 화합물3-5족 화합물2-6 화합물SiGeSiCAlP InPAlAs InAsGaPGaAsGaSbZnSZnSeZnTeCdSCdSeCdTe{2.에너지 밴드 구조모든 재료는 위에 있는 그림과 같은 에너지 밴드 구조에 에너지 갭을 가지고 있습니다.(이 말이 너무 어려우시다면 간단하게 말해서 전자가 넘어야 할 개울이 있다고 생각하시고, 그 개울을 넘어야 전기를 전달하는데 전자가 쓰인다고 생각하시면 됩니다.)(a)와 같은 에너지 밴드구조를 가지는 도체의 경우는 이 넘어야 할 에너지 갭이 아주 작거나 없기 때문에 쉽게 전자가 전기를 통할 수 있게 됩니다.반면, (d)와 같은 에너지 밴드 구조를 가지는 부도체의 에너지의 갭은 아주 커서 (전자의 관점으로는 강이나 바다처럼 느껴질 수도 있습니다.) 전자는 이 에너지 갭을 뛰어 넘지 못하고 결국 전기를 통하는 일에 참여하지 못하게 됩니다.(b)나 (c)같은 에너지 밴드 구조를 가지는 반도체의 경우 이 에너지 갭은(물론 재료 마다 틀립니다 만) 조금 높지만, 외부에서 빛이나 온도등의 에너지를 가하게 되면, 전자가 그 에너지를 가지고 뛰어 넘어 전기를 통하게 하는데 참여하게 됩니다. 이때 자유 전자가 이동을 하게 되면, 이동을 한 전자의 수만큼 아래쪽 에선 전자가 부족 하게 되는데, 이것을 홀(Hole) 또는 정공 이라고 한다. hole은 반도체에서 전자와 같이 전기의 Carrier로서 역할을 할 수 있는데, 이 역할은 자유 전자의 효과 와 마찬가지로 중요합니다.3. 순수 반도체와 불순물 반도체순수 반도체란 실리콘 반도체에서는 실리콘 원자로만, 게르마늄 반도체 에선 게르마늄 원자로만 구성된 반도체를 말합니다.이러한 반도체에 불순물(즉, 다른 원소)을 넣을 경우 불순물의 농도가 아주 작다고 할지라도 이 불순물 반도체는 순수한 반도체에 비해서 전기적인 성질이 완전히 틀려지게 됩니다.이와 같은 이유로 반도체는 불순물의 농도가 지극히 작지 않으면, 순수 반도체라고 말할 수 가 없읍니다.예를 들어, 1억개의 게르마늄 원자 속에 한개 이상의 불순물 원자가 들어 갔을때에는 순수 반도체라고 할수 없지만, 100억개의 실리콘 원자내에 1개 이하의 불순물의 들어가 있는 경우 순수한 반도체라고 할수 있읍니다.하지만, 대부분의 반도체의 응용은 불순물이 들어있는 반도체를 사용하게 됩니다. (엄밀하게 말하면, 일부러 불순물의 양을 조절하여 원하는 전기적 성질을 가지게 합니다.)이렇게 일부로 불순물을 첨가 하는 것을 도핑이라고 하며,불순물로서 사용하는 것은 3족원소(p형 불순물)나 5족 원소 (n형 불순물)을 사용하며, 어떤 불순물을 넣었는가에 따라서 n형 반도체와 p형 반도체로 나눕니다.p형 불순물로 쓰이는 것은 B(boron), Ga(gallium), In(indium)과 같은 3족 원소로서 정공의 수를 높이는 역할을 합니다.이와는 반대인 n형 불순물은 Sb(animony), P(phosphorus),As(arsenic)과 같은 5족 원소가 널리 쓰이며, 자유 전자수를 높여 도전성을 높이는 역할을 합니다.초전도체란 무엇인가?1.초전도체 / 2.초전도체의 특성 / 3. 초전도체의 응용1.초전도체앞에서 우리는 도체와 부도체 그리고 반도체에 대해서 간단하게나마 살펴 보았습니다.그런데, 또 하나 우리의 관심을 끌 만한 재료가 하나 있습니다. 바로 초전도체란 것입니다.영어로는 Super Conductor라고 하지요.앞에서 말했듯이 구리등의 보통 금속 선에서는 온도가 올라가면, 재료내의 원자들은 격자 진동을 하여 저항이 상승하게 되고, 전류를 흘러 가는 동안 이 격자 진동에 의해 저항이 생기면서 전력이 소비됩니다.(즉, 100이란 전기를 보내 줘도 받을 때는 100을 다 받지 못하는 것입니다.)이와는 반대로 온도를 낮추면, 금속의 전기 저항은 감소하지만, 절대 온도 0K(-273℃)에 가깝게 냉각을 하여도 금속 고유의 전기저항이 남게 됩니다.그런데, 어떤 재료는 일정한 온도에서 갑자기 전기 저항이 완전히 0으로 되는 현상을 나타낸다. 이러한 상태를 초전도 상태라고 합니다. 초전도상태의 전선으로 원형의 코일을 만들어 그 코일에 전류를 흘리면 전기 저항이 없으므로 전력의 감소됨이 없이 영원히 전류가 흐르게 됩니다. 또한 이러한 코일을 이용하여 강한 자계를 형성시키는 것도 가능하게 됩니다.1911년 네덜란드의 Onnes가 극저온에서 수은의 이러한 초전도 현상을 발견한 이후, 초전도를 나타내는 최고의 온도를 나타내는 최고 온도 즉 임계온도를 온도를 높이기 위해 많은 과학자가 연구를 계속 하여 왔습니다. 현재 약 절대온도 120K정도에서 초전도를 나타내는 재료가 있습니다.

자연과학| 2001.11.15| 6페이지| 1,000원| 조회(1,428)

반도체, 띠 이론, 반도체란 무엇인가, 반도체의 종류

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