이번 포스터는 반도체의 기본인
밴드갭(Band-gap)에 대해서 써보려고 합니다
밴드갭을 이해하기 위해선
먼저 단결정(Single crystal)에 대해서 이해하셔야 합니다
단결정에 대한 내용은 지난 포스터에
설명한 글이 있으니 아래 링크를 참조하시기 바랍니다
반도체 상식 : 1. 반도체 기본 "웨이퍼(Wafer)와 실리콘(Silicon)"
반도체 상식 : 1. 반도체의 기본 "웨이퍼(Wafer)와 실리콘(Silicon)"
안녕하세요 제이사이언스의 제이입니다 우리나라 사람들에게 가장 먼저 생각나는 반도체 기업이 어디냐 질문했을 때 가장 많이 나오는 답변은 "삼성전자" 그 다음이 "하이닉스" 입니다 삼성전
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밴드갭은 뭘까요?
밴드(Band)는 우리말로 "띠"라는 뜻이고
갭(Gap)은 "간격"이라는 뜻이니까
띠와 띠 사이의 간격이라고 생각하실 수 있는 데요
간단하게 예를 들어 설명을 드리겠습니다
하나의 주택 집이 있다고 생각해보죠
집을 짓기 위해선 가장 먼저 있어야 될 건 무엇일까요?
당연히 집을 짓기 위한 기반인
"땅"이 있어야 합니다
밴드갭은 집을 짓기 위한 기반인
땅과 같은 존재라고 생각하시면 됩니다
즉, 아무것도 없는 순수한 상태인 것이죠
밴드갭은 어떻게 형성이 될까요?
밴드갭은 수없이 많은 원자들의 결합을 통해
형성이 됩니다
이 때 조건은 "단결정 결합"을 하고 있어야 하죠
먼저 많은 사람들이 알고 있는
보어의 원자 모형을 통해서 설명을 드리죠
반도체에서 많이 쓰이는 실리콘을 예를 든다고 하면
실리콘의 원자 모형은 아래와 같습니다
원자는 가운데 양성자, 중성자가 있고
바깥 쪽으로 전자 껍질이 있고
전자 껍질 안에 전자가 존재하고 있습니다
양성자와 중성자는 밴드갭을 이해하기 위해서
딱히 필요없는 것이니 따로 설명을 드리진 않겠습니다
우리가 여기서 집중해야 할 것은 바로
"전자 껍질"입니다
전자 껍질은 여러 개의 에너지 준위로 이루어져 있습니다
s, p ,d , f, ....등
여러 가지가 있지만 그냥 단순하게
전자 껍질을 "에너지 준위(Energy state)"라고 하겠습니다
(전자 껍질 = 에너지 준위)
실리콘 원자가 딱 하나가 있을 때는
위에 있는 그림의 원자 모형 형태로 존재할 겁니다
여기서 실리콘 원자가 하나가 아닌
두 개가 결합을 하고 있다면 어떻게 될까요?
두 개의 원자 모형이 따로 존재하는 형태가 될까요?
아닙니다
두 개의 원자 모형이 겹쳐져 있는 형태로 존재하게 됩니다
(그 이유는 두 원자의 결합 거리가 거의 무한대로 가깝기 때문)
동일한 자리에 동일한 에너지 준위가 2개 존재하는 거죠
그런데 동일한 자리에 있는 2개의 에너지 준위는
서로 싸움이 일어나게 됩니다
(엥?)
세상엔 2개의 태양이 존재할 수 없듯이
서로 자리를 차지하려고 싸우게 되죠
결국 이 둘은 휴전을 맺고 분리가 일어나게 되는 데요
동일한 자리에 둘이 존재하지 않고
서로 약간의 차이를 두고 대치 상태를 이루게 됩니다
이러한 상태를 전문 용어로
"파울리의 배타 원리(Pauli exclusion principle)"이라고 합니다
파울리의 배타 원리는 간단하게 설명해서
"동일한 위치에너지에 동일한 에너지 준위는 존재할 수 없다"입니다
즉, 동일한 자리에 동일한 에너지 준위 2개 이상이
존재할 수 없다기 때문에
이를 만족하기 위해서 동일한 에너지 준위가 분리되고
약간의 에너지 차이를 두게 되는 것이죠
그런데 만약 2개가 아닌
수 없이 많은 실리콘 원자들이
규칙적으로 결합(=단결정)이 되어 있다고 하면
어떻게 될까요?
눈치 채신 분들도 계시겠지만
동일한 자리에 있는 에너지 준위가
더 많은 분리가 일어나게 됩니다
이러한 에너지 준위의 분리들이
마치 띠와 같은 형태를 띄고 있다고 해서
"에너지 밴드"라고 불리고 있고요
이러한 밴드와 밴드 사이의 간격이
바로 "밴드갭"이 되겠습니다
참고로 밴드갭은 안정상태에서
전자가 존재하는 최외곽 에너지 밴드와
전자가 존재하지 않는 그 다음 에너지 밴드 사이를
밴드갭이라고 명하고 있습니다
실리콘의 단결정 결합으로 인해
밴드갭이 존재함으로써
마치 집을 짓기 위한 기반인 땅이 마련된 것이죠
집은 곧 "반도체"를 말합니다
여기에 도핑(Doping, 치환)을 하게 되면
땅에 수도관을 연결하게 되는 것인데요
도핑에 대한 내용은 다음 포스터에서 작성하도록 하겠습니다
오늘도 좋은 하루 되세요!
"항상 무엇인가를 듣고, 항상 무엇인가를 생각하며, 항상 무엇인가를 배운다.
이것이 인생의 참된 삶의 방식이다"
- 아서 헬프스 -
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