[반도체공학] 01. The crystal structure of solids (1)

The Crystal Structure of Solids

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♭ 반도체(Semiconductor)란?
반도체는 전기 전도도가 도체와 반도체의 중간 정도의 해당하는 물질
 
1) 도체와 부도체와 다르게 전기 전도도가 고정되어 있지 않다.
→ 인가 전압, 열, 파장에 의해 전기적 특성이 변한다. (저온: 부도체, 고온: 도체)

 
2) 반도체는 14족 원소(Si, Ge) 또는 13족-15족(GaAs)/2족-16족(ZnO) 원소로 구성
→ Elemental semicondutor: 단일 원소로 이루어진 반도체
    Compound semiconductor: 두 가지 이상의 원소로 이루어진 반도체
 
3) 반도체(소자)는 전류의 흐름을 조절할 수 있다.
→ 도핑 농도를 통해 반도체의 전기 전도도를 조절할 수 있다.

반도체는 도체/부도체와 다르게 도핑(Doping)을 통해 전기 전도도(비저항)을 조절할 수 있기 때문에 범위로 표현된다.
 
♭ 물질의 결정성: 원자 배열에 따라 물질의 결정성이 달라진다.

 
1) 단결정(Single crystal): 고체 전 범위에 일정한 주기를 갖고 있는 물질
→ Mobility가 높고, 해석이 용이하다.
 
2) 비정질(Amorphous) : 고체 전 범위에서 일정한 주기를 갖고 있지 않은 물질
→ Mobility가 낮고, 해석이 어렵다
 
3) 다결정(Poly-crystal): Grain 내부에만 일정한 주기를 갖고 있는 물질
 
♭ 격자 구조(Lattice structure)
-Unit cell
고체 재료 내부에서 규칙적인 구조를 나타내는 단위
 
-Primitive cell
고체 재료 내부에서 반복되는 최소의 구조 → 가장 작은 Unit cell을 의미한다.
 
-Basic lattice structure
Cubic 형태를 갖는 기본적인 격자 구조는 Simplc cubic, BCC(Body-Centered Cubic), FCC(Face-Centered Cubic)이 있다. 기본적인 3가지 격자구조를 포함하여 모든 고체 재료는 14가지의 격자 구조로 분류할 수 있는데, 이를 Bravais lattice라고 한다.

	Simple cubic	BCC(Body-Centered Cubic)	FCC(Face-Centered Cubic)
Figure
# of atoms in unit cell	8 × ⅛ = 1	(1 × 1) + (8 × ⅛) = 2	(8 × ⅛) + (6 × ½) = 4
CN(Coordination number)	6	8	12
APF(Atomic packing factor)	0.52	0.68	0.74
Example	Polonium(Po)	Iron(α-Fe), Tungsten(W)	Iron(γ-Fe), Copper(Cu)
<Bravais lattice>

 

-Semiconductor lattice

	Diamond structure	Zinc blende	Wurzite structure
Figure
# of atoms in unit cell	(1 × 4) + (8 × ⅛) + (6 × ½) = 8	(1 × 4) + (8 × ⅛) + (6 × ½) = 8	(1 × 2) + (6 × ⅙) + (4 × 1⁄12) = 4
CN(Coordination number)	4	4	4
APF(Atomic packing factor)	0.34	-	-
Example	C(Diamond), Si, Ge	GaAs, InP	ZnO, ZnS

 
♭ 원자 결합(Atomic bonding)
18족 원소를 제외한 모든 원자들은 다른 원자들고 결합하는 것이 에너지적으로 안정하다.
 
1) 금속 결합(Metallic bonding)
금속 원자 사이의 결합
→ 전자바다: 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 형태로 금속 물질이 전도성을 갖는다.
Ex) Fe, Al, Ga
 
2) 공유결합(Covalent bonding)
비금속 원자 사이의 결합
→ 전자를 공유하여 옥텟 규칙을 만족시킨다.
Ex) HF, HCl
 
3) 이온결합(Ionic bonding)
금속 원자와 비금속 원자가 결합하는 방식
→ 금속은 전자를 잃어 양이온, 비금속 원자는 전자를 얻어 음이온으로 거동한다.
Ex) NaCl, FeO
 
<출처>

Donald A. Neaman, "Semiconductor physics and device" 4th edition.
D. V. Anghel, "Barvaus Lattice Table" (2003).
 

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