반도체 물성 및 소자 - 1. 고체의 결정구조

결정종류	단결정 (single crystal)	다결정 (poly crystal)	비정질 (amorphous)
결정형태	전체 부피에서 원자들이 일정한 규칙으로 배열, 완벽한 결정 형태	다른 규칙을 갖는 단결정영역들이 모여 전체 부피를 구성, 단결정 영역을 grain과 grain boundary로 구성	결정성이 없는 고체
전기적 특성	높음 (가장 우수)	중간 (grain으로 인한 영향)	낮음 (무질서함)
균일성	높음 (완벽하게 균일한 형태)	낮음 (grain으로 인한 영향)	높음 (원자수준의 무질서로 인해 소자크기에서는 균일
제작 공정	성장	증착	증착
면적 당 가격	높음	중간	낮음
소자 당 가격	낮음 (소자가 아주 작다)	높음	중간
응용	CPU, 메모리 고성능 Chip	저면적 디스플레이	대면적 디스플레이

 

- 기본 격자구조:

 

- 반도체 소자와 결정면 (crystal plane) : 반도체 소자의 구조는 반도체, 절연체, 전도체로 구분된다. 반도체 소자 내에 다양한 계면이 존재하며 반도체 계면 또는 표면에 따라 전기적 특성이 달라진다. 또한 반도체 표면 특성에 따라 성장, 식각 등의 공정 특성이 달라지게 된다.

 

- 결정면 정의 방법 : 격자구조의 a, b, c 축과 결정면의 교차점을 사용하여 정의한다.

1. a, b, c 축과 결정면의 교차점을 단위벡터 a, b, c의 정수배로 정의 >> p, q, s

2. p, q, s의 역수에 최소공배수를 곱하여 정수로 변환 >> h, k, l

3. 위에서 구한 정수 h, k, l를 밀러지수라 하고, 소괄호 기호를 사용해 '(hkl) 결정면' 또는 '(hkl) 면' 이라 표현한다.

 

- 등가 결정면 : 평행한 모든 결정면은 동일한 밀러지수를 가진다. 이들을 서로 등가 결정면이라 한다.

 

- 결정면 집합 : 등가 결정면 집단의 묶음. 중괄호 기호를 사용해 '{hkl} 결정면 집합'이라 표현한다.

 

- 입방결정의 대표 결정면 :

 

- 원소반도체의 결정구조 (다이아몬드 구조) :

다이아몬드 구조는 Si, Ge, 등 4족 단일 원소에 기반한 원소반도체의 결정구조이다. 

 

- 원자결합 : 원자들이 집합을 이룰 때, 시스템의 총 에너지가 최소값이 되도록 원자들 사이의 상호작용이 발생. 이는 원자들 간 상대적 위치를 고정하고 이를 원자결합 이라 한다. 

1. 이온결합 : 양이온과 음이온 사이의 인력(정전기력)에 의해 서로 둘러싼 구조의 결정 형성. Ex) Nacl, 금속산화물 반도체

2. 공유결합 : 원자들이 서로 전자를 공유함으로써 안정화. 가장 강력한 결합력. Ex) Si, Ge, GaAs 반도체

3. 금속결합 : 전자구름과 양이온이 된 원자들 사이의 정전기력으로 결합 형성. Ex) 전도성 금속

4. 분자결합 : 쌍극자 간의 인력(정전기력)에 의해 결합 형성. 가장 약한 결합력. Ex) 물, HF, 저분자/고분자 집합

 

- 고체의 결함 (defect) : 이상적인 주기성을 깨뜨리는 모든 것

1. 점결함 - Vacancy, Interstitial 

2. 선결함 - Line dislocation

 

- 고체의 불순물 (impurity) : 결정 원소 외의 다른 물질이 격자에 포함. 결함의 일종.

*Doping : 특정 불순물을 첨가하여 반도체의 전기적 특성을 유용하게 조절한다.