"반도체에 Si(실리콘)을 많이 쓰는 이유?"
반도체 공정에서 90%이상의 Wafer가 실리콘으로 되어있습니다.
(Wafer는 반도체를 찍어내기 위한 도화지라고 보시면 됩니다.)
실리콘을 반도체의 주 재료로 사용하는 이유는, 금속과 달리 고온에서 전기전도도가 줄어드는(저항이 커지는) 특성이 있기 때문입니다.
실리콘 바로 아래에 위치한 Ge(게르마늄)도 실리콘과 같은 4족(4개의 다리(전자)가 달린) 원소로써 반도체에 사용하려는 시도가 있었는데요(같은 족의 원소끼리는 전기화학적 특성이 비슷하기 때문입니다.)
아쉽게도 원소의 순도(purity)나 결정구조적인 측면에서 실리콘이 훨씬 유리하여 사용하지 않고있습니다.
Semiconductor Doping
실리콘(Si)그대로를 반도체 재료로 활용한 것을 "Intrinsic Semiconductor" 라고 합니다.
첨가제를 전혀 넣지 않은 "순수한" 재료라는 뜻이죠
하지만, 필요에 따라 Doping을해서 순수하지 않게만들어 사용할 수도 있는데요
이것을 "Extrinsic Semiconductor" 라고 부릅니다.
Extrinsic Semiconductor은 어떻게 도핑하냐에 따라 N-type과P-type으로 나뉩니다.
① N-Type
N-type Doping을 하기위해서는 "phosphorous" 물질을 사용하는데요,
Silicon은 4족원소로 전자 4개를 가지고 있다고 말씀드렸죠??
Phosphorous 물질은 전자를 5개 가지고 있는 "5족 원소"를 의미합니다.
즉, 4족원소인 Silicon에 5족원소인 Phosphorous를 섞어주게되면... 실리콘이 가지고있는 다리는 4개인데 전자 5개짜리가 섞이게되므로 "전자과잉" 상태가됩니다.
즉, 실리콘과 phosphorous가 섞이고 남은 전자들이 돌아다니게 되는 상황인거죠 (위그림 참조)
② P-Type
N-Type doping은 전자가 많은걸 넣어줬다면, P-Type은 어떤건지 감이 오실겁니다.
바로, "전자가 부족한것"을 넣어주는 것입니다.
4족 원소인 실리콘에 3족 원소인 보른(B)을 넣어주게되면(doping) 전자 4개를 받을 수 있는 실리콘의 다리중 하나가 전자를 받지못하는 상태가 되겠죠?
그럼 전자가 존재해야 할 공간에 빈 구멍만 남게되는데 이것을 hole이라고 하고, hole들이 돌아다니게 되는 상황이 됩니다.
즉, N-type doping과 반대되는 재료를 넣어준 것입니다.
Doping을 하는 이유
N-type과 P-type으로 Doping을 하는방법은 위에 정리를 했는데요!
그럼 도대체 왜 도핑을할까요?
그냥 순수한 상태의 Silicon only materials로 반도체를 만들어도 되는데 왜 Doping을할까요?
바로 PN-Junction 때문입니다.
PN Junction은 모든 반도체의 기본이며, Energy bandgap까지 다양한 이론들을 총망라하여 설명해야하기에
다음글에 정리하도록 하겠습니다 :)
감사합니다.
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