반도체 기초 학습

문제를 제거하기 위해 도구를 사용해보십시오





이 게시물에서는 반도체 장치의 기본 작동 원리와 전기의 영향으로 반도체 내부 구조가 어떻게 기능하는지에 대해 포괄적으로 배웁니다.

이러한 반도체 재료 사이의 저항 값은 완전한 도체 특성이나 완전한 절연체를 갖지 않으며이 두 한계 사이에 있습니다.



이 기능은 재료의 반도체 특성을 정의 할 수 있지만 반도체가 도체와 절연체 사이에서 어떻게 작동하는지 아는 것은 흥미로울 것입니다.

저항력

옴의 법칙에 따르면 전자 장치의 전기 저항은 구성 요소를 통해 흐르는 전류에 대한 구성 요소의 전위차 비율로 정의됩니다.



이제 저항 측정을 사용하면 한 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 저항 재료의 물리적 치수가 변경되면 값이 변경됩니다.

예를 들어 저항성 재료의 길이가 증가하면 저항 값도 비례 적으로 증가합니다.
마찬가지로 두께가 증가하면 저항 값이 비례하여 감소합니다.

여기서 필요한 것은 크기, 모양 또는 물리적 모양에 관계없이 전류에 대한 전도 또는 반대 특성을 나타낼 수있는 재료를 정의하는 것입니다.

이 특정 저항 값을 표현하기위한 크기를 Resistivity라고하며 synbol ρ, (Rho)

저항률의 측정 단위는 Ohm-meter (Ω.m)이며 전도도의 역수 매개 변수로 이해 될 수 있습니다.

여러 재료의 저항률을 비교하기 위해 도체, 절연체 및 반도체의 세 가지 주요 범주로 분류됩니다. 아래 차트는 필수 세부 정보를 제공합니다.

위의 그림에서 볼 수 있듯이 금과은과 같은 도체의 저항률에는 무시할 수있는 차이가 있지만 석영 및 유리와 같은 절연체의 저항률에는 상당한 차이가있을 수 있습니다.

이것은 금속이 절연체보다 매우 효율적인 도체를 만드는 주변 온도에 대한 반응 때문입니다.

지휘자

위의 차트에서 우리는 컨덕터가 일반적으로 마이크로 옴 / 미터 단위 일 수있는 저항률이 가장 적다는 것을 이해합니다.

낮은 저항률로 인해 많은 양의 전자를 사용할 수 있기 때문에 전류가 쉽게 통과 할 수 있습니다.

그러나 이러한 전자는 도체를 가로 지르는 압력 일 때만 밀릴 수 있으며,이 압력은 도체에 전압을 가하여 형성 될 수 있습니다.

따라서 전도체가 양 / 음의 전위차로 적용될 때, 전도체의 각 원자의 자유 전자는 부모 원자에서 빠져 나가고 전도체 내에서 표류하기 시작하며 일반적으로 전류의 흐름으로 알려져 있습니다. .

이러한 전자가 이동할 수있는 정도는 전압 차이에 반응하여 원자로부터 얼마나 쉽게 자유 로워 질 수 있는지에 달려 있습니다.

금속은 일반적으로 좋은 전기 전도체로 간주되며 금속 중에서 금,은, 구리 및 알루미늄은 질서 정연한 최상의 전도체입니다.

이 전도체는 원자의 원자가 대역에 전자가 거의 없기 때문에 전위차에 의해 쉽게 빠져 나가고 '도미노 효과'라는 과정을 통해 한 원자에서 다음 원자로 점프하기 시작하여 전류가 흐르게됩니다. 지휘자.

금과 은이 최고의 전기 전도체이지만 구리와 알루미늄은 저렴한 비용과 풍부함, 물리적 견고 함으로 인해 전선과 케이블을 만드는 데 선호됩니다.

구리와 알루미늄이 전기의 좋은 전도체라는 사실에도 불구하고 100 % 이상적인 것은 없기 때문에 여전히 약간의 저항이 있습니다.

이 도체가 제공하는 저항은 작지만 더 높은 전류를 적용하면 중요해질 수 있습니다. 결국 이러한 도체의 더 높은 전류에 대한 저항은 열로 소멸됩니다.

절연체

도체와 달리 절연체는 전기의 나쁜 도체입니다. 이들은 일반적으로 비금속의 형태이며 부모 원자와 함께 취약하거나 자유 전자가 거의 없습니다.

즉, 이러한 비금속의 전자는 부모 원자와 단단히 결합되어 전압 적용으로 제거하기가 매우 어렵습니다.

이 기능으로 인해 전압이 가해지면 전자가 원자에서 멀어지지 않아 전자가 흐르지 않아 전도가 발생하지 않습니다.

이 특성은 절연체에 대한 매우 높은 저항 값을 수백만 옴 단위로 유도합니다.

유리, 대리석, PVC, 플라스틱, 석영, 고무, 운모, 베이클라이트와 같은 재료는 좋은 절연체의 예입니다.

도체와 마찬가지로 절연체도 전자 분야에서 중요한 역할을합니다. 절연체가 없으면 회로 단계에서 전압 차이를 분리하는 것이 불가능하여 단락이 발생합니다.

예를 들어, 케이블을 통해 AC 전원을 안전하게 전송하기 위해 고전압 타워에서 도자기와 유리를 사용하는 것을 볼 수 있습니다. 전선에서는 양극, 음극 단자를 절연하기 위해 PVC를 사용하고 PCB에서는 구리 트랙을 서로 분리하기 위해 베이클라이트를 사용합니다.

반도체의 기초

실리콘 (Si), 게르마늄 (Ge) 및 갈륨 비소와 같은 재료는 기본 반도체 재료에 속합니다. 이러한 재료는 중간에 전기를 전도하는 특성이있어 적절한 전도 나 적절한 절연이 발생하지 않기 때문입니다. 이러한 특성으로 인해 이러한 재료는 반도체로 명명됩니다.

이 물질은 원자 전체에 매우 적은 자유 전자를 나타내며, 결정 격자 형태로 밀접하게 그룹화됩니다. 그럼에도 불구하고 전자는 빠져 나와 흐를 수 있지만 특정 조건이 적용될 때만 가능합니다.

이렇게 말하면, 일종의 '도너'또는 '수용자'원자를 결정 레이아웃에 도입하거나 대체하여 추가 '자유 전자'및 '홀'또는 그 반대의 방출을 가능하게함으로써 이러한 반도체의 전도율을 향상시킬 수 있습니다. 마찬가지로.

이는 실리콘이나 게르마늄과 같은 기존 재료에 일정량의 외부 재료를 도입하여 구현됩니다.

그 자체로 실리콘 및 게르마늄과 같은 물질은 극도로 순수한 화학적 성질과 완전한 반도체 물질의 존재로 인해 고유 반도체로 분류됩니다.

이는 또한 제어 된 양의 불순물을 그 안에 적용함으로써 이러한 고유 재료의 전도율을 결정할 수 있음을 의미합니다.

우리는 이러한 물질에 공여체 또는 수용체라고하는 불순물 유형을 도입하여 자유 전자 또는 자유 정공으로 이러한 물질을 강화할 수 있습니다.

이러한 공정에서 불순물이 1 천만 반도체 재료 원자 당 1 개의 불순물 원자의 비율로 진성 재료에 첨가되는 경우이를 다음과 같이 지칭합니다. 도핑 .

충분한 불순물을 도입하면 반도체 재료가 N 형 또는 P 형 재료로 변형 될 수 있습니다.

실리콘은 가장 인기있는 반도체 재료 중 하나로, 가장 바깥 쪽 껍질에 4 개의 원자가 전자를 가지고 있으며, 총 8 개의 전자 궤도를 형성하는 인접한 원자로 둘러싸여 있습니다.

두 실리콘 원자 사이의 결합은 하나의 전자를 인접한 원자와 공유 할 수있는 방식으로 개발되어 안정된 결합으로 이어집니다.

순수한 형태의 실리콘 결정은 자유 원자가 전자가 거의 없기 때문에 극한 저항 값을 갖는 좋은 절연체의 특성에 기인합니다.

실리콘 재료를 전위차에 연결하는 것은 어떤 종류의 양극 또는 음극이 생성되지 않는 한이를 통한 전도에 도움이되지 않습니다.

그리고 이러한 극성을 만들기 위해 이전 단락에서 논의한 바와 같이 불순물을 추가하여 이러한 물질에 도핑 프로세스를 구현합니다.

실리콘 원자 구조 이해

실리콘 결정 격자의 이미지

원자가 궤도에서 4 개의 전자를 보여주는 실리콘 원자

위의 이미지에서 우리는 일반 순수 실리콘 결정 격자의 구조가 어떻게 생겼는지 볼 수 있습니다. 불순물의 경우 일반적으로 비소, 안티몬 또는 인과 같은 물질이 반도체 결정 내에 도입되어 '불순물을 가짐'을 의미하는 외부 물질로 전환합니다.

언급 된 불순물은 인접한 원자와 공유하기 위해 'Pentavalent'불순물로 알려진 가장 바깥 쪽 밴드에있는 5 개의 전자로 구성됩니다.
이는 5 개 원자 중 4 개가 인접한 실리콘 원자와 결합 할 수 있도록 보장합니다. 단 하나의 '자유 전자'는 전압이 연결될 때 자유 로워 질 수 있습니다.

이 과정에서 불순한 원자가 가까운 원자를 가로 질러 각 전자를 '기여'하기 시작하기 때문에 '5가'원자는 '공여자'로 명명됩니다.

도핑에 안티몬 사용

안티몬 (Sb)과 인 (P)은 실리콘에 '5가'불순물을 도입하기위한 최선의 선택이되는 경우가 많습니다. 원자가 궤도에서 5 개의 전자를 보여주는 안티몬 원자 p 형 반도체

Antimony에서 51 개의 전자는 핵 주위의 5 개의 껍질에 설정되어 있으며, 가장 바깥 쪽 밴드는 5 개의 전자로 구성됩니다.
이로 인해 기본 반도체 재료는 각각 음전하를 띠는 전자를 전달하는 추가 전류를 획득 할 수 있습니다. 따라서 'N 형 소재'라고합니다.

또한 전자는 'Majority Carriers'로 명명되고 이후에 발생하는 정공은 'Minority Carriers'로 불립니다.

안티몬이 도핑 된 반도체에 전위가 가해지면 녹아웃되는 전자는 즉시 안티몬 원자의 자유 전자로 대체됩니다. 그러나이 공정은 결국 도핑 된 결정 내에서 자유 전자가 부동 상태를 유지하기 때문에 음전하를 띤 물질이됩니다.

이 경우 반도체는 억 셉터 밀도보다 도너 밀도가 높으면 N 형이라고 할 수 있습니다. 아래에 표시된 것처럼 정공의 수에 비해 자유 전자 수가 더 많아 음의 분극을 유발하는 경우를 의미합니다.

P 형 반도체 이해

반대로 상황을 고려하면 3 개의 전자 '3가'불순물을 반도체 결정에 도입하는 경우, 예를 들어 원자가 결합에 3 개의 전자를 포함하는 알루미늄, 붕소 또는 인듐을 도입하면 4 차 결합을 형성 할 수 없게됩니다.

이로 인해 철저한 연결이 어려워지고 반도체에 양전하를 띤 캐리어가 많이있을 수 있습니다. 이러한 캐리어는 누락 된 전자가 너무 많기 때문에 전체 반도체 격자를 가로 지르는 '홀'이라고합니다.

이제 실리콘 결정에 구멍이 있기 때문에 근처의 전자가 구멍에 끌려 슬롯을 채우려 고합니다. 그러나 전자가 이것을 시도하자마자 그 위치를 비우고 이전 위치에 새로운 구멍을 만듭니다.

이것은 차례로 다음 근처의 전자를 끌어 당겨 다음 구멍을 점유하려고 시도하면서 다시 새로운 구멍을 남깁니다. 이 과정은 실제로 구멍이 반도체를 가로 질러 움직이거나 흐르고 있다는 인상을줍니다. 우리는 일반적으로 전류의 흐름 패턴으로 인식합니다.

'구멍이 움직이는 것처럼 보이면'전자가 부족하여 전체 도핑 된 결정이 양의 극성을 얻을 수 있습니다.

각 불순물 원자가 정공을 생성하는 역할을하기 때문에 이러한 3가 불순물은 공정에서 계속적으로 자유 전자를 받아들이 기 때문에 '수용체'라고합니다.
붕소 (B)는 위에서 설명한 도핑 공정에 널리 사용되는 3가 첨가제 중 하나입니다.

붕소가 도핑 물질로 사용되면 전도가 주로 양으로 하전 된 캐리어를 갖도록합니다.
이로 인해 'Majority Carriers'라고 불리는 양의 정공을 가진 P-type 물질이 생성되고 자유 전자는 'Minority carriers'라고합니다.

이것은 도너 원자에 비해 수용체 원자의 밀도가 증가하여 반도체 기재가 P 형으로 변하는 방법을 설명합니다.

도핑에 붕소가 사용되는 방법

3 개의 전자가 외부 원자가 결합에있는 붕소 원자

반도체 주기율표

반도체의 기초 요약

N 형 반도체 (예 : 안티몬과 같은 5가 불순물로 도핑 됨)

5가 불순물 원자로 도핑 된 이러한 반도체는 전자의 이동을 통해 전도를 나타내므로 N 형 반도체라고하므로 도너라고합니다.
N 형 반도체에서 우리는 다음을 찾습니다.

  1. 긍정적으로 청구 된 기부자
  2. 풍부한 자유 전자
  3. '자유 전자'에 비해 상대적으로 적은 수의 '정공'
  4. 도핑의 결과로 양전하를 띤 도너와 음전하를 띤 자유 전자가 생성됩니다.
  5. 전위차를 적용하면 음으로 하전 된 전자와 양으로 하전 된 정공이 발생합니다.

P 형 반도체 (예 : 붕소와 같은 3가 불순물로 도핑 됨)

3가 불순물 원자로 도핑 된 이러한 반도체는 홀의 이동을 통해 전도를 나타내므로 P 형 반도체라고 불리기 때문에 억 셉터라고합니다.
N 형 반도체에서 우리는 다음을 찾습니다.

  1. 음수로 청구 된 수락 자
  2. 풍부한 구멍
  3. 정공의 존재에 비해 상대적으로 적은 수의 자유 전자.
  4. 도핑은 음으로 하전 된 억 셉터와 양으로 하전 된 홀을 생성합니다.
  5. 전압을인가하면 양으로 하전 된 정공과 음으로 하전 된 자유 전자가 생성됩니다.

그 자체로 P 및 N 유형 반도체는 자연스럽게 전기적으로 중립적입니다.
일반적으로 안티몬 (Sb)과 붕소 (B)는 풍부한 가용성으로 인해 도핑 멤버로 사용되는 두 가지 재료입니다. 이들은 또한 '메탈 로이드'라고도 불립니다.

그러나 주기율표를 보면 가장 바깥 쪽 원자 대에 3 개 또는 5 개의 전자를 가진 다른 유사한 물질이 많이 있습니다. 이러한 물질은 도핑 목적에도 적합 할 수 있음을 의미합니다.
주기율표




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