반도체소자 뿌시기_2

1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors

 

#Crystal Lattices(결정격자)

 ch1에서는, 반도체에 대한 간단한 소개와 구조, 성장에 대해 설명하고 있다. 

일반적으로 반도체(Semiconductor)는 금속(Metal)과 절연체(Insulator)의 중간 정도의 전기 전도도를 가지고 있는 물질을 말한다. 이들 물질의 전도도(conductivity)는 온도, 여기 상태, 불순물 함유량에 따라 크게 변할 수 있다.

반도체 재료는 일반적으로 주기율표의 14족에 속하는 실리콘(silcon; Si), 게르마늄(germanium; Ge)등의 원소(element) 반도체가 있고, 3족과 5족의 원자들의 화합물에 의해 만들어지는 화합물(compound) 반도체가 있다.

 

그렇다면 위의 Crystal Lattice, 즉 결정격자는 무엇일까?

일반적으로 순수한 고체는 결정을 이루고 있으며, 해당 결정을 구성하는 원자들을 연결하여 생기는 3차원 격자를 결정격자라고 한다.

 

일반적으로 고체는 주기적인 구조에 따라 결정질(crystalline), 비정질(amorphous), 다결정(polycrystalline) 고체로 구분된다.

결정질 고체는, 결정을 구성하는 원자가 주기적인 형식으로 배열되어 있고

비정질 고체는,  전혀 주기적인 구조를 가지지 않고 

다결정 고체는, 작은 영역 내에서 단결정인 물질이 여러 개 합해져 있다.

해당 결정 내에서의 주기는 격자에 의해 규정되며, 이 격자는 결정 전체를 통해 되풀이되는 체적 또는 셀(cell)을 포함하고 있다.
셀은 단위(unit) 셀과 기본(primitive) 셀로 구분된다.

단위 셀이란, 전체 결정을 만들어 내는데 필요한 결정의 작은 부피를 의미한다. 단위 셀은 이동이 가능하며 유일하지 않다.

반면 기본 셀은, 위 단위 셀 중 가장 작은 셀을 의미한다. 

 

#입방(cubic) 격자 

입방 격자는, 앞서 설명한 단위셀이 3차원 격자에서 형성한 입방체를 의미한다. 

가장 간단한 구조로서, 단순 입방(simple cubic; sc), 체심 입방(body-centered cubic; bcc), 면심 입방(face-centered cubic; fcc) 격자가 있다.

격자 구조

단순 입방 구조, 단위셀의 각 모서리에 하나씩의 원자가 위치하고 있는 구조

체심 입방 구조, 단순 입방 구조에서 그 중심에 원자가 추가된 구조

면심입방 구조, 단위 셀에는 8개의 모서리와 6개의 측면의 중심에 원자들이 분포하는 구조

위 사진에서 찾아볼 수 있는 'a'는 격자 상수(lattice constant)로서, 하나의 입방 단위 셀에서 한 변의 길이 값이다.

결정 구조 a, R CN, n, 충전률

 

#다이아몬드 격자구조

다이아몬드 격자구조

앞서 설명한 기본적인 3가지 입방구조 이외에도 면심 입방(fcc) 격자구조를 기본에 두고, 4개의 원자를 추가한 다이아몬드 격자구조가 있다. 해당 4개의 원자들은, 하나의 fcc 격자의 배열로 된 4개의 원자로부터, lattice constant(a)의 (1/4, 1/4, 1/4)인 위치에 추가된다. 

위 그림은 fcc 단위 셀로부터, 다이아몬드 격자를 구성하는 방법을 나타낸 것이다. 또한 오른쪽 그림에서, 본래 fcc에 속하는 원자는 원으로, 또 침투된 상태로 된 부격자는 흑점으로 표시되어 있다. 해당 상태에서, 모든 원자가 같은 원자이면, 다이아몬드 격자이고, 다른 종류의 원자가 번갈아 인접하여 배치되면, 이를 섬 아연광(zinc blende) 구조라 한다. 대표적인 섬 아연광구조는 GaAs가 있다.

Si와 같이 대부분의 반도체 결정은 다이아몬드 및 섬아연광 격자구조로 되어 있다.

 

#마치며

이번 챕터에서는 반도체가 어떤 물질인지와 결정과 관련하여 아주 기초적인 지식을 다뤄보았다. 반도체 소자를 공부하기에 앞서 이러한 구조적인 기본기는 정확하게 아는 것이 중요하다. 다음 챕터에서는 원자와 전자에 대해 공부하면서 다양한 실험적 관측과 양자역학에 대해 알아볼 것이다.