** p-well : p-type semiocnductor를 만들기 위하여 불순물을 주입하여 반응이 일어나는 부분 ** n-well : n-type semiocnductor를 만들기 위하여 불순물을 주입하여 반응이 일어나는 부분
Compound Semiconductors ( 화합물 )
- Gap, GaAs는 3족과 5족이 결합하여 최외각 전자가 4개인 화합물들이다. 이 두 소자는 LED에 특화된 소자이다.
3. Crystallinity (결정도)
: 고체 내 주기적 배열을 말한다.
고체는 원자의 배열로 이루어져있다. 따라서 주기적 배열 상태에 따라 구분이 가능하다.
결정도에 따라 amorphous, poly-crystal, signle-crystal로 나눌 수 있다. Semiconductor역시 amorphous-semiconductor, poly-crystal semicondictor, single-crystal semiconductor가 존재
amorphous (비점질)
poly-crystal (다(多)-결정)
signle-crystal (결정질)
- 원자들이 random하게 분포된 상
- 원자 외부 최외각 전자들이 서로를 저항으로 느낌
- domain이라 불리는 구역이 있음
- domain 자체는 disordered domain 내부는 order (규칙적 배열)
- 물질 내 원자가 주기적으로 배열
전기 전도도
인접한 원자에 전위차를 가했을 때, 인접한 원자가 상당히 멀다.
원자와 원자 사이 gap이 클 때 저항을 야기한다.
원자들에게서 연속적인 저항이 이어져 전기전도도가 낮은 물질이 된다.
따라서 원자들이 random하게 배치된 물질은 저항이 큰 물질임을 의미한다.
원자 배열이 촘촘하여 전자의 이동이 빠르다
domain boundary에는 gap이 존재 -> 전기 전도도를 약화시킴
domain간의 벽은 아주 큰 저항으로서 작용한다.
물질 전체적으로 전압강하가 일어났을 때 해당 벽에 의해 저항이 생기게 된다.
"best" 우리가 가장 다루고자 하는물질!!
원자가 물질 전체에서 규칙적이라서 외부에서 열이 가해졌을 때 전하와 정공이 아주 빠르게 이동할 수 있다.
전기 전도도가 큰 물질이 된다.
Semiconductor의 Crystallinity(결정도)가 중요한 이유
: 결정도가 전기 전도도에 영향을 주기 때문이다.
전류
: 인접한 원자 사이에 전위차를 가했을 때 전자가 이동하는 현상
ex) Silicon
SiO2를 녹여서 ingot을 만들어 ingot을 얇게 slice
[ SiO2 -> 정제 -> Si (single-crystal) ]
silicon은 SiO2로부터 정제하여 Si(Single Crystal)로 Silicon wafer(signel-crystal Si의 결합)를 만든다.
Wafer는 Si원자들의 결합으로 이루어져 있는데 결합된 각 원자들이 signle-crystal structure 를 갖는다.
전자 현미경( SEM or TEM )으로 위 사진 속 wafer의 절단면을 보게되면 아래와 같이,
점과 같은 실리콘 원자들을 확인할 수 있다.
노란색 선들은 domain영역을 나타내며, 그 내부는 규칙적인 구조를 가지고 있다.
Silicon
주기율표 ( 족 / 원자번호 )
1~18족 / 1~7주기 배열
1~18족 / 1~7주기 배열은 물질의 특성이다.
우리가 다루게 될 것은 3,4,5족이다.
- Atomic number (원자 번호)
:원자핵의 번호이자, 전자의 개수이다.
전자의 개수로서 electronic configuration을 이야기할 수 있다.
- Electronic Configuration (전자 배열)
: 원자의 전자는 양자화 되어있다. 즉 핵을 중심으로 구성된 껍질에 전자가 배치하고 있다.
(*** 양자화 : 물리량이 띄엄띄엄한 값을 갖는 것)
(n=1) 1S2 : 1번째 껍질에 전자 2개
(n=2) 2S2 2P6 : 2번째 껍질에 전자 8개
(n=3) 3S2 3P2 : 3번째 껍질에 전자 4개 //따라서 최외각 전자 4개
최외각 전자의 안쪽은 인력이 세지만, 가장 바깥 껍질에 있는 최외각 전자들은 외부 힘에 의해서 쉽게 이동한다. 최외각 전자의 이러한 특징을 이용하여 전자를 통해 원자간 공유 결합을 할 수 있다.
Covalent bonding ( 공유 결합 )
: 인접한 전자가 결합한 원자간의 결합을 말한다.
Two hydrogen atoms
Four hydrogen atoms
- Hydrogen은 1족 원소로 전자가 1개이다. 위 그림은 2개의 H 원자가 서로 공유결합을 한 것이다.
- Covalent bond를 하게 되면 원자 간 강력한 힘을 갖게 된다.
- C는 4족 원소로 최외각 전자를 4개 갖고 있으며, 위 그림에서 수소 4개와 각 원자가 전자들이 전자를 공유하며 공유결합을 하고 있다.
- 탄소로부터 수소와 수소 사이의 각도인 109.5'는 핵과 전자의 인력과 척력에 의해 만들어지는 일정한 각도이다
- 원자들 간의 공유결합이 이루어질 때 각 원자간의 핵과 전자간의 인력과 척력에 의해 일정한 각도를 갖게된다.
Si도 마찬가지로 Si간의 공유결합이 이루어질 때 일정 각도를 통해 일정한 구조르 갖게 된다. ( 아래 설명 )
Crystal = Lattice + Basis
Lattice
A periodic arrangement of atoms in the crystal in 2D and 3D
( 배열된 상태 / 격자 / 규칙적 / 외곽선 )
Basis
Actual atoms or molecules that form the materials
( 외곽선 안에 있는 원자들 / 구성 원자 )
Unit cell
: A small volume of the crystal that can be used to produce the entire crystal
( Crystal에서 구조적으로 가장 기본이 되는 것 )
// unit cell의 방향에 따라 원자 분포가 달라지기 때문에 좌표계 도입이 필요하다.
위 그림에서 우측 unit cell은 unit cell을 이루는 점선을 기준으로 하여,
unit cell내부에는 실질적으로 초록색 원자 1/4짜리 4개와 보라색 원자 1개가 있으므로,
unit cell내부에 총 2개의 atoms가 있다고 판단할 수 있다.
Diamond Crystal Structure (Silicon)
: Diamond Crystal은 공유결합(covalently bonded)으로 연결된 원자의 network이다.
각각의 원자는 주변 4개의 원자와의 공유결합으로 연결되었다. (Covalently bonded)
이러한 결합으로 원자들의 규칙적인 3D 패턴울 만듦으로서 Diamond Crystal을 구성한다.
Silicon diamond crystal structure의 주기적 격자 구조
- Si은 4개의 원자가 전자를 가지고 있으므로 4개의 adjacent silicon atoms와 결합한다.
- 이러한 결합을 통해 unit cell을 이루어 unit cell간의 규칙적인 결합(배열)으로 물질 전체를 구성한다.
2D Lattice Structure
: There are 4 types only
Oblique
rectangle
square
hexagon
a != b
angle != 60 or 90 or 120
a != b
angle = 90
a = b
angle = 90
정육각형
모두 Lattice point에 원자가 배치 되어있는 Crystal구조이다.
example ( 2D lattice stucture )
a=b 이고 angle=90이므로 square 2d lattice strucre이다.
unit cell은 원자 4개의 중심을 잇는 구조가 될 것이다.
(1) Square lattice 이다. (2) 각 point에 원자가 배치되어있다.
-> 이 unit cell이 갖는 다음과 같은 특징에 의해 해당 unit cell이 이루는 물질이 crystal구조임을 알 수 있다.
a != b이고, angle=90이므로 rectangle lattice
unit cell은 빨간원자 4개의 중심을 잇는 구조가 될 것이다.
(1) rectangle lattice (2)각 point에 원자 배치
-> rectangle 2D lattice structure
3D lattice structure
: There are 7 systems and 14 types only, called Bravais lattice
2dimensional lattice sturcture을 위에서 다루었지만, 대부분의 물질은 3dimensional lattice structure를 가진다.
Semiconductor에서 다루는 구조인 3D lattice structure에서의 Cubic system에 대해서만 정리를 해보겠다...
< Cubic System >
(1) a = b = c (cm) (2) angle = 90'
두 조건을 만족하는 3d lattice structure를 cubic system이라고 한다.
Cubic system의 unit cell의 원자 배치에 따라 세가지(basic crystal structure)로 구분할 수 있다.
Basic Crystal Structures
Simple Cubic [SC]
Body Centered Cubic [BCC]
Face Cetnered cubic [FCC]
- 원자가 각 꼭짓점에 배치된 구조 (8)
- 원자가 각 꼭짓점에 배치 (8)
- unit cell body center에 배치 (1)
- 원자가 각 꼭짓점에 배치 (8)
- 원자가 각 면의 center에 배치 (6)
Number of atoms per unit cell (unit cell 외곽선 내부만 포함)
: 1/8 * 8 = 1 atom
Number of atoms per unit cell (unit cell 외곽선 내부만 포함)
:1/8 * 8 + 1 = 2atoms
Number of atoms per unit cell (unit cell 외곽선 내부만 포함)
:1/8 * 8 + 1/2 * 6 = 4atoms
Number of atoms on a specific plane (면을 통과하는 원자부분)
: 1/4 *4 = 1 atom
Number of atoms on a specific plane (면을 통과하는 원자부분)
: 1/4 *4 = 1 (중심원자는 면에 x )
Number of atoms on a specific plane (면을 통과하는 원자부분)
: ( 1/4 *4 ) + 1 = 2atoms
Volume density of atoms per unit cell (number of atoms per unit cell / volume)
: 1/a^3 [atom/cm^(3)]
Volume density of atoms per unit cell (number of atoms per unit cell / volume)
: 2/a^3 [atom/cm^(3)]
Volume density of atoms per unit cell (number of atoms per unit cell / volume)
