반도체란

반도체란

반도체는 구리 등의 도체와 유리 등의 절연체 사이에 전기전도율 값을 갖는 재료이다. 반도체의 전도 특성은 결정 구조에 불순물을 도핑함으로써 유용하게 변화될 수 있다. 동일한 결정 내에 서로 다른 두 개의 도프 영역이 존재하는 경우 반도체 접합이 생성된다. 이러한 접합부에서의 전자, 이온, 전자 홀을 포함하는 전하의 이동은 다이오드, 트랜지스터 및 현대 전자의 기초이다. 반도체의 몇 가지로는 실리콘, 게르마늄 등이 있다.

반도체의 특성

반도체의 특성으로는 가변 전기 전도도, 이종 접합, 여기 전자, 발광 등이 있다. 가변 전기 전도도의 설명으로는 자연상태의 반도체는 전류가 전자 흐름을 필로 하고, 반도체는 그 원자가 대역이 채워져 새로운 전자 흐름 전체를 막기 위해 도체가 빈약하다. 그래서 몇 가지 개발된 기술을 통해 반도체 재료는 도핑이나 게이트와 같은 도전 재료처럼 작동할 수 있다. 이러한 변화에는 n-type 반도체와 p-type 반도체 두 가지가 있다. 이것들은 각각 전자의 과잉 또는 부족을 의미한다. 전자의 수가 균형을 이루면 물질 전체에 전류가 흐른다. 이중 접합은 두 개의 서로 다른 도핑된 반도체가 결합할 때 발생한다. 예를 들어, 구성은 p 도프 게르마늄과 n 도프 게르마늄으로 구성될 수 있다. 그러면 서로 다른 도핑 된 반도체 간에 전자와 정공이 교환된다. n 도프 게르마늄은 남는 전자를 갖고, p 도프 게르마늄은 남는 정공을 갖는다. 이 전이는 재결합이라고 불리는 과정에 의해 평형에 도달할 때까지 일어나면 n형에서 이동하는 전자가 p형에서 이동하는 정공에 접촉한다. 이 과정의 결과는 접합부를 가로지르는 전계를 일으킨다. 반도체 재료의 전위차는 열평형을 떠나 비평형 상태를 만드는 원인이다. 이것은 전자와 정공을 도입하고 양극 확산이라고 불리는 과정을 통해 상호작용한다. 반도체의 열평형이 흐트러질 때마다 정공과 전자의 수는 변한다. 이러한 파괴는 온도차가 광자의 결과로 발생할 수 있고 광자가 시스템에 들어가 전자와 정공을 생성할 수 있다. 전자와 정공을 생성하거나 소멸시키는 과정을 각각 생성 및 재결합이라고 한다. 특정 반도체에서 여기 된 전자는 열을 발생시키는 대신 빛을 방출한다. 이 반도체들을 발광 다이오드와 형광 양자점 구축에 사용한다. 열전도율이 높은 반도체는 방열과 전자 기기의 열관리 개선에 활용될 수 있다. 반도체 장치는 한 방향으로 전류를 용이하게 흐르게 할 수 있고 가변 저항성을 나타내며, 빛 또는 열에 민감하고 여러 유용한 특성을 표시한다. 반도체의 전기적 성질은 도핑에 의해 전계나 빛의 인가에 의해 변화될 수 있기 때문에 반도체로 이루어진 디바이스를 증폭, 스위칭 및 에너지 변환에 사용할 수 있다. 실리콘의 도전성은 5가 원자 또는 3가 원자를 소량 첨가함으로써 증가한다. 이 공정은 도핑으로 알려져 있고, 그 결과 얻어진 반도체는 도핑 또는 외인성 반도체라고 한다. 도핑과는 별도로 반도체 온도를 높임으로써 반도체의 도전성을 향상할 수 있다. 반도체의 특성에 대한 현대적 이해는 결정격자 내 전하 캐리어의 이동을 설명하기 위해 양자 물리학에 의존한다. 도핑은 결정 내 전하 캐리어의 수를 증가시킨다. 도핑된 반도체가 정공을 포함하는 경우 p형, 자유전자를 포함하는 경우는 n형이라고 불린다. 단일 반도체 결정은 많은 p형 및 n형을 가질 수 있으며, 이들 영역 간의 p-n 접합이 유용한 전자적 이동을 담당한다. 핫 포인트 프 로브를 사용하면 반도체가 p형인지 n형인지 빠르게 판단할 수 있다.

반도체의 역사

반도체에 대한 역사는 재료의 전기적 특성에 관한 실험에서 시작된다. 저항 정류, 광 감수성 때 원 계수의 특성은 19세기 초에 관찰됐다. 토마스 요한 제베크는 1821년 반도체에 의한 영향을 처음 발견했다. 1833년에 마이클 패러데이는 황화 은의 시료를 가열하면 저항력이 저하한다고 보고했다. 이는 구리 등의 금속 물질의 이동에 어긋난다. 1839년 알렉산드르 에드몬드 베크렐은 고체와 액체 전해질 사이의 전압을 관측하고 빛이 닿자 태양열 발전 효과를 발견했다. 1873년에 위로 비 스미스는 셀렌 저항체가 조명과 저항력이 저하하는 것을 관찰했다. 이러한 현상을 통일하고 설명하려면 20세기 전반에 크게 발전한 고체 물리학 이론이 필요하다. 1878년 에드윈 헤르트 홀은 인가 자계에 의한 전하 캐리어의 편향을 실증했다. 1897년 토믄은 고체 중인 전자 베이스의 전도 이론은 제창했다. 칼 베이 데커는 홀 효과를 금속과는 반대의 부호로 관측함으로써, 요오드화구리가 양전하 경력을 가지면 이론화했다. 요한 코에니그스브가는 1914년에 가변 반도체라는 고체 물질을 분류했으나 1910년 박사 논문에서 이미 반도체라는 용어가 사용 중이었다. 펠릭스 블로흐는 1928년 원자 격자를 통한 전자 이동 이론을 발표했다. 1930년 을 구덴은 반도체의 전도성은 불순물의 농도가 작기 때문이라고 했다. 1931년까지 밴드 전파 이론은 앨런 헤리즈 윌슨에 의해서 확립되고 띠간격의 개념이 개발됐다. 1938년까지 보리 데이 우이도 후는 구리 산화물 정류기의 이론을 개발하고 p-n 접합의 효과와 소수 캐리어와 표면 상태의 중요성을 특정했다. 이론적 예측과 실험 결 사이의 일치는 때로 불충분했다. 반도체를 사용하는 물체는 반도체 이론이 보다 고성능으로 신뢰성이 높은 물체의 구축을 위한 가이드를 제공하기 전에 처음에는 경험적 지식에 기초하여 구축되었다. 1880년, 알렉산더 그레이엄, 베르는 셀렌의 광 감수성을 이용하고 빛 빔 위에서 소리를 전달했다. 효율이 낮은 태양 전지는 1883년에 찰스 프리츠에 의해서 셀렌과 돈의 얇은 층으로 코팅된 금속판을 사용해서 건설되었다. 황화납으로 만들어진 점 접촉 마이크로파 검출기는 1904년 재규어 디쉬 찬드라 보즈에 의해 사용되어 천연의 갤리 나 혹은 기타 재료를 사용한 고양이의 속삭임 검출기는 라디오 개발에서 일반적인 장치가 됐다. 그러나 동작은 다소 예측 불가능하고 좋은 성능을 위해서는 수동 조정이 필요했다. 1906년 H.J 라운드는 전류가 탄화규소 결정을 통과할 때의 발광을 관측했다. 오레구 로스 에프는 1922년에 같은 발광을 관측했지만 그 효과는 실용적이지 않았다. 구리 산화물과 셀레늄을 이용한 정류기는 1920년대에 개발되어 진공관 정류기의 대체로서 상업적으로 중요하게 됐다. 최초의 반도체 장치는 1874년에 독일의 물리학자 페르디난트 브라운이 수정 검출기를 1901년에 인도의 물리학자 재규어 디쉬 찬드라 보즈가 전파 수정 검출기를 포함한 갤리 나를 사용했다.

 

 

반도체체에 대해 알아보았습니다. 다음 번에는 더욱 흥미로운 과학 분야에 대해 알아보도록 하겠습니다.