반도체란? 반도체 소자

반도체는 전자공학의 눈부신 발전을 이끈 핵심 소재이다.

일반적으로 도체와 절연체 사이의 성질을 가지는 물질이지만 정확한 정의를 위해서는 에너지대와 금단대 또는 밴드갭과 같은 양자역학적 개념이 필요하다. 일반적으로 이것은 탄소-규소-게르마늄으로 이어지는 14족의 물질이며, 중간에 14족을 갖는 Ga, As와 같은 두 물질의 화합물도 이러한 성질을 갖는 경우가 있다. 일반적으로 경제 기업, 산업체 등을 말할 때 반도체는 재료 자체가 아닌 반도체 소자나 집적회로를 지칭하는 경우가 많다. 이 분야는 반도체 재료를 사용하여 전기 회로의 가장 기본적인 요소를 만듭니다. 고체의 전기 전도도는 원자가 밴드와 전도 밴드 사이의 밴드 갭에 의해 결정됩니다. 전도체의 경우 원자의 에너지 준위가 분리되어 에너지대를 형성할 때 가전자대 영역과 전도대 영역이 중첩되어 밴드갭이 없어 원자가대 전자가 전도대 또는 전도대로 점프할 수 있다. 열에너지가 낮은 밴드. AT 밴드는 채울 수 없으므로 가전자대의 빈 공간이 전도대로 작용합니다. 따라서 온도가 상온 부근일 때 많은 수의 자유 전자가 생성되고 전기 전도도가 증가합니다. 대표적인 전도체는 외부 전자 결합이 약하고 밴드 내 공간이 넓어 쉽게 이동하는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속, 또는 준위 간 간격이 많아 전자가 쉽게 이동할 수 있는 전이 금속이다. 절연체의 경우 가전자대와 전도대 사이의 밴드갭이 크기 때문에 가대에 채워진 전자가 전도대로 점프할 수 없어 자유전자가 생성되지 않고 전기전도도가 낮아진다. 반도체의 경우 가전자대와 전도대 사이의 밴드갭이 2eV 이하로 작기 때문에 주위 온도의 열에너지만으로도 전자가 전도대로 이동할 수 있다. 에너지 밴드 구조의 특성상 온도에 따른 전기전도도의 변화가 크다. 상온 부근의 온도를 기준으로 설명하면 일부 전자가 전도대를 가로지르는 상태에 있기 때문에 상온에서 어느 정도 전기가 흐른다. 여기에서 온도가 더 상승함에 따라 더 많은 전자가 전도대로 점프하여 자유 전자가 됩니다. 반대로, 온도가 낮아지면 전도대의 자유 전자가 가전자대로 떨어지므로 전기 전도가 좋지 않습니다. 즉, 특정 온도를 기준으로 하면 그 온도 이상에서는 전기가 비교적 잘 통하며, 온도가 요구값 이하로 떨어지면 전기가 통하지 않는다. 전하를 운반하는 캐리어를 캐리어라고 합니다. 공유결합이나 이온에 결합된 전자가 열에너지 등에 의한 전도대 에너지에 의해 여기되면 전위에 의해 전하를 운반할 수 있다. 그러나 전도대에서 전자가 여기되면 가전자대에 전자 빈자리가 생성됩니다. 전자 결손이 생성되면 가전자대에 있는 전자도 이동할 수 있습니다. 그러나 가전자대는 거의 전자로 가득 차 있기 때문에 이 많은 전자의 움직임을 설명하는 것은 불가능합니다. 따라서 전자의 빈자리를 입자로 간주하여 캐리어라고 하며, 이 캐리어를 정공이라고 합니다. 불순물이 첨가된 외부 반도체는 주 캐리어가 정공인 P형(포지티브형) 반도체와 전자가 메인 캐리어인 N형(네거티브형) 반도체로 분류된다. 이때 첨가되는 불순물을 도펀트(dopant)라고 하며, 주 캐리어가 정공인지 전자인지는 도펀트의 원자가 특성에 의해 결정된다. 간단히 말해서, 도펀트가 매트릭스보다 원자가가 높으면 나머지 전자를 전도대에 결합시키고 방출하며 전자가 주 캐리어가 됩니다. 밴드에서 전자를 흡수하여 가전자대에 정공이 생성되고 정공이 주요 캐리어가 됩니다. 수만 가지 중 하나의 도펀트는 물질의 전기적 특성을 변화시킵니다.

반도체 소자는 반도체의 전기적 성질을 이용하여 만든 장치라고 할 수 있다.

P형 반도체와 N형 반도체를 이용하여 P-N 접합을 통해 전류가 일정한 방향으로 흐르게 하는 pn 접합 다이오드와 P-N-P 및 N-P-N 접합을 이용하여 전기적 신호를 증폭하고 스위칭하는 바이폴라 트랜지스터 Junction Transistor, BJT) n형 반도체 물질로 금속을 가볍게 도핑한 쇼트키 다이오드, 금속을 융합한 CMOS, FET와 MOSFET의 서브클래스로 구성된다. 산업의 발전을 이끌었습니다. 반도체 소자는 전자공학과의 학습난이도를 높이는 주범이다. 반도체 소자가 하나만 있어도 회로방정식이 비선형 미분방정식으로 바뀌고, 점근해석을 적용할 수 있는 특별한 경우가 아니면 회로방정식을 해석적으로 풀 수 없는 경우가 많다. 비선형 방정식을 수치적으로 풀기 위해서는 다양한 수치해석법에 반복법을 추가해야 한다. 또한 회로 수준이 아닌 소자 수준으로 내려가면 유한요소해석이 수렴될 때까지 반복해야 하기 때문에 컴퓨팅 파워를 많이 소모한다. 현재 DRAM과 플래시 메모리가 주로 메모리 소자로 사용되고 있으며, 향후 예상되는 발전 방향은 비휘발성 RAM인 MRAM(magnetoresistance RAM)[13]과 PRAM(phase change RAM)이 현재 연구되고 있다. . 이미 우주, 블랙박스 등 첨단 분야에서 활용되기 시작했다. MRAM과 PRAM은 DRAM과 속도는 같지만 전원 공급이 중단되어도 데이터가 손실되지 않으며 수명이 거의 무제한입니다. 즉, 궁극적인 저장 매체입니다. 개인용 컴퓨터 시장에서 SSD가 하드디스크를 완전히 밀어낼 때가 오면 MRAM이나 PRAM을 이용한 저장매체가 등장해 SSD의 자리를 위협할 것이다. 삼성전자는 PRAM 양산을 위한 연구를 진행 중이며, MRAM은 독일 반도체 연구소인 PTB에서 양산 알고리즘을 연구하고 있다. FeRAM(강유전체 RAM)이라는 것도 있는데, 프로토타입을 만든 후 개념(이론)과 매우 다른 결과를 보여주었습니다. 즉, D램에 비해 속도가 빠르지 않고, 고용량을 위한 고집적화가 거의 불가능하다. 그건 그렇고, 일본 후지쯔에서 강제로 무언가를 시도하다가 추락했습니다. 현대 반도체 산업의 중심인 Si(실리콘)은 석영의 주성분으로 지각에 가장 풍부한 두 가지 원소 중 하나입니다.