[물리전자] 1-1. 고체의 분류와 결정구조

고체의 분류

 

 고체는 말 그대로 형태가 정해져 있는 물질의 형태를 말합니다. 이후에 자세히 다루게 될 반도체도 고체의 종류 중 하나입니다. 따라서 반도체에 대해 이해하기 위해선 고체에 대한 이해가 필요합니다. 저희는 반도체 공부에 들어가기 앞서 반도체 공부를 하는데 필요한만큼만 짚고 넘어가겠습니다.

 

 먼저, 고체는 전기전도도에 따라 도체, 반도체, 절연체로 분류할 수 있습니다. 다음 그림을 봅시다.

 

 

 위의 그림을 보시면, 왼쪽에는 유리, 다이아몬드 같은 것들이 있고, 오른쪽에는 은, 구리, 알루미늄 같은 것들이 있네요. 두 그룹이 Conductivity나 Resistivity에 의해 명확하게 구분된다는 것을 확인하실 수 있을 겁니다. 여기서 Resistivity는 전류가 흐르지 않도록 저항하는 정도를, Conductivity는 전류가 잘 흐르는 정도를 의미합니다. 즉, Conductivity가 높을수록 Resistivity가 낮을수록 전기가 잘 통한다는 뜻이죠. 이런 관점에서 보면 유리나 다이아몬드는 전기가 잘 안통하고, 은이나 구리 같은 것들은 전기가 잘 통한다는 것을 알 수 있습니다. 이 때, 유리나 다이아몬드 같이 전기가 잘 안통하는 물질들을 절연체(insulator)라고 하고, 은이나 구리 같이 전기가 잘 통하는 물질들을 도체(conductor)라고 합니다.

 

 한편 도체라고 부르기에도, 절연체라고 부르기에도 애매한 애들을 반도체(Semiconductor)라고 불러요. 한마디로 도체와 절연체의 중간에 있는 물질을 반도체라고 정의할 수 있습니다. 이 때 반도체의 가장 큰 특징 중 하나가 "전기전도성을 바꿔줄 수 있다"라는 거에요. 어떨 땐 도체와 비슷한 전기전도도를 갖고, 어떨 땐 절연체와 비슷한 전기전도도를 갖게되기 때문에 "반도체"라고 부르는 거죠. 전기전도도를 변화시키는 요인 중 대표적인 4가지는 다음과 같습니다. 

 

1. Temperature 

2. Light

3. Doping

4. Electric Field

 

 이런 요인들을 이용해 반도체의 전기전도도를 우리가 원하는 크기로 만들어 줄 수 있습니다. 이렇게 전기전도도를 조절함으로써 우리가 매일 사용하는 전자기기가 작동할 수 있도록 만들어 주는것이지요.

반도체의 분류

 

 반도체는 다시 구성원소의 개수에 따라 Elemental Semiconductor, Compounds Semiconductor(Binary Semiconductor), Ternary Semiconductor, Quatenary Semiconductor로 구분할 수 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 구성원소가 1개이면 Elemental, 2가지이면 Compounds(binary), 3가지이면 Ternary, 4가지이면 Quaternary라고 부릅니다.

 

반도체 재료

 앞에서 소개한 반도체 재료 유형 중 대표적인 3가지만 자세히 살펴보겠습니다. 

 

먼저, 14족 원소로 만들어진 반도체입니다. 14족 원소란 최외각 전자가 4개인 원소를 말하며 Si, Ge 등이 있습니다. 반도체가 제작되기 시작한 초기에는 Ge를 반도체의 주 재료로 사용하였으나, Si가 Ge에 비해 구하기도 쉽고 물리적 특성이 우수하기 때문에 현재에는 반도체 재료로 Si를 주로 사용하고 있습니다.

 

 그 다음에는 3족과 15족 원소의 화합물로 만들어진 화합물 반도체입니다. 3족 원소란 In, Ga와 같이 최외각 전자가 3개인 원소를 말하며 15족 원소란 P, As와 같이 최외각 전자가 5개인 원소를 말합니다. 일반적으로 이 3족 + 15족 화합물 반도체는 LED, Laser 등 빛과 관련된 소자를 만든느 특수 용도로 사용합니다. 그 이유는 InP나 GaAs의 에너지 밴드 구조 때문인데, 이는 나중에 자세히 살펴보기로 하고 넘어갑시다.

 

 3족 + 15족 화합물 반도체와 비슷한 유형으로 2족 + 16족 화합물 반도체도 존재합니다. 2족 + 16족 화합물 반도체 또한 3족 + 15족 화합물과 비슷하게 발광소자로 주로 사용되는데 이 중 ZnO는 안테나의 피뢰기로도 사용이 됩니다. 피뢰침과 비슷한 역할을 한다고 생각하시면 됩니다. 번개가 칠 때 건물에 번개가 맞지 않도록 피뢰침을 설치하듯이, ZnO는 안테나의 뾰족한 부분에 번개가 모이지 않도록 도와주는 역할을 합니다. 피뢰침의 원리는 침과 Ground를 접지 시켜줌으로써 전류를 지면으로 흘려보내주는 것인데 안테나의 경우 Ground와 접지시켜 버린다면 안테나가 제 역할을 하지 못하기 때문에 안테나를 직접 접지시키는 대신 안테나와 Ground 사이에 ZnO로 만들어진 피뢰기를 놓아주는 방식을 사용합니다.

 

고체의 구조

 

 

 이제 고체의 구조에 대해 살펴봅시다. 먼저 고체 내에서 원자가 규칙적으로 배열되어 있는 것을 Crystaline Structure(Single Crystal)라고 합니다. 우리가 반도체 소자로서 실리콘을 쓴다면 실리콘을 Single Crystal로 만들어서 사용합니다. 이것이 전기적 특성이 가장 좋기 때문이에요. 근데 Single Crystal은 만들기가 어렵습니다. 그래서 상당히 조심스럽게 만들어야 합니다. 

 여기서 서로 다른 Crystaline 여러개가 붙어 있는 것을 Polycrystaline Structure(PolyCrystal)라고 부릅니다. PolyCrystal은 자연계에서 존재하는 액체를 천천히 고체로 만들어주면 자연적으로 만들어지는 모양입니다. 액체에서 고체로 변하는 초기에 여러 Point에서 아주 작은 Single Crystal이 만들어지게 되는데, 이것을 Seed라고 합니다. 시간이 지나면서 Seed의 주변에 같은 구조로 달라붙으며 고체가 됩니다. 이렇게 동시에 여러 개의 Seed가 성장을 하다 만나게 되면 원자 배열이 다른 Single Crystal 간에 경계면이 생기게 됩니다. 이 때, 각각의 Single Crystal을 Grain, Single Crystal간의 경계면을 Grain Boundary라고 합니다. 일반적으로 가장 많이 형성되는 케이스 입니다. 

 반면 고체 내에서 원자가 불규칙하게 배열되어 있는 것을 Amorphous Structure라고 합니다. 대표적인 예로 유리가 있습니다. 이것도 Polycrystal과 마찬가지로 자연계의 액체를 고체로 만들어 줄 때 나타나는 모양인데요. Polycrystal과 다른 점은 빠르게 식혀주어 고체로 만들어 준다는 점입니다. 빠르게 팍 식히게 되면 활발히 움직이던 액체 내부의 원자들이 그 자리에 멈추게 됩니다. 순간적으로 원자 배열이 흩어지면서 굳는 상태가 되는 것이죠. 그러면서 자연스럽게 Amorphous Structure가 만들어지게 됩니다.

 

 이 세가지 중에 가장 전기적 특성이 좋은 것이 Single Crystal, 가장 나쁜 것이 Amorphous이기 때문에 일반적으로 반도체 소자를 만들 때에는 Single Crystal 구조를 사용하게 됩니다. 

 

이번 포스팅은 여기에서 마치고 다음 포스팅에서는 좀 더 큰 원자 단위에서의 고체 구조를 알아보도록 하겠습니다.