원자가띠
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1. 개요
원자가띠는 반도체의 전기적 특성을 설명하는 밴드 이론에서 중요한 개념이다. 반도체는 sp3 혼성 궤도에 의해 원자 간 결합이 이루어지며, 이 결합성 궤도가 원자가띠를 형성한다. 원자가띠 상단 부근은 p궤도 성분으로 이루어져 있으며, 스핀-궤도 상호작용이나 kp 섭동에 의해 무거운 정공 밴드, 가벼운 정공 밴드, 스플릿오프 밴드로 나뉜다. IV족 반도체와 화합물 반도체에서 원자가띠를 구성하는 궤도의 성분은 다르며, 일반적으로 전기음성도가 큰 원소 유래의 sp3 혼성 궤도가 원자가띠를 구성한다.
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| 원자가띠 | |
|---|---|
| 원자가띠 | |
| 개념 | |
| 설명 | 고체에서 전자가 가질 수 있는 에너지띠 중 가장 높은 에너지띠. |
| 역할 | 화학 결합에 참여하는 전자가 있는 에너지띠. |
| 전자 충전 상태 | 일반적으로 전자로 채워져 있거나 거의 채워져 있음. |
| 에너지 크기 | 전도띠보다 낮은 에너지 수준에 위치함. |
| 전도 | 전도띠와 함께 고체의 전기적, 광학적 성질에 중요한 역할 수행. |
| 밴드갭 | 전도띠와 원자가띠 사이의 에너지 차이를 밴드갭이라 함. |
| 관련 개념 | |
| 관련 용어 | 전도띠 페르미 에너지 밴드갭 결정 구조 고체물리학 에너지 밴드 전도 전자 |
2. 반도체의 원리
반도체의 전기적 특성은 밴드 이론으로 설명할 수 있다. 반도체는 다이아몬드형 또는 섬아연광형 구조를 가지며, 원소들은 sp3 혼성 궤도를 통해 결합한다. 이 결합으로 원자가띠가 형성되고, 전도띠는 반결합성 궤도로 구성된다.
s궤도와 p궤도의 에너지 차이, 그리고 Γ점에서의 궤도 혼성 부재로 인해 원자가띠 상단은 주로 p궤도 성분을 가지며, 밴드 도표에서는 위로 볼록한 형태가 나타난다. 스핀-궤도 상호작용이나 kp섭동은 밴드의 축퇴를 풀고 무거운 정공 밴드, 가벼운 정공 밴드, 스플릿오프 밴드로 분리시킨다.
규소(Si)나 저마늄(Ge) 같은 단일 원소 IV족 반도체와 갈륨비소(GaAs), 인듐비소(InAs) 같은 화합물 반도체는 원자가띠를 구성하는 궤도의 성분에 차이가 있다. 화합물 반도체의 경우, 전기음성도가 큰 원소(예: GaAs에서 As)의 sp3 혼성 궤도가 원자가띠를 주로 구성한다. 이는 원자 간 전하 편향과 마델룽 에너지에 의한 에너지 차이 때문이다.
2. 1. 밴드 구조
다이아몬드형 구조 또는 섬아연광형 구조를 갖는 반도체는 사면체 방향으로 뻗어 있는 sp3 혼성 궤도에 의해 원소끼리 결합하고 있으며, 그 결합성 궤도에 의해 원자가띠가 구성된다. 한편, 전도띠는 반결합성 궤도에 의해 구성되어 있다.s궤도와 p궤도의 에너지 차이가 크고, Γ점에서는 궤도의 혼성이 없기 때문에 원자가띠 상단 부근은 거의 p궤도의 성분으로 이루어져 있으며, 밴드 도표상에서는 위로 볼록한 에너지 분산 관계가 된다. 스핀-궤도 상호작용이나 kp섭동을 도입함으로써 밴드의 축퇴가 풀리고, 무거운 정공 밴드, 가벼운 정공 밴드, 스플릿오프 밴드로 나뉜다. 이것은 3개의 p궤도, 즉 px, py, pz 궤도의 궤도 각운동량 성분(궤도 자기 양자수 m = -1, 0, 1)이 각각 다르다는 것과, 스핀 각운동량(s = ± 1/2)을 포함한 총 각운동량의 차이에 기인한다.
규소(Si)나 저마늄(Ge)과 같이 단일 원소로 이루어진 IV족 반도체와, 갈륨비소(GaAs)나 인듐비소(InAs)와 같이 여러 원소로 이루어진 화합물 반도체에서는 원자가띠를 구성하고 있는 궤도의 성분에 차이가 있다. 기본적으로 원자가띠는 전기음성도가 큰 원소 유래의 sp3 혼성 궤도에 의해 구성되어 있다.
예를 들어, GaAs에서는 Ga와 As가 공유 결합으로 결합하고 있지만, 동시에 이온성 결합도 가지고 있다. 전기음성도의 차이에 의해 Ga 원자와 As 원자에 전하의 편향이 생겨 전자는 As 원자 쪽에 오랫동안 머물러, 원자가전자는 As 원자의 궤도를 점유한다. 그러면, 마델룽 에너지에 의해 As 유래의 sp3 혼성 궤도와 Ga 유래의 sp3 혼성 궤도에 에너지 차이가 생겨, 원자가띠는 에너지가 낮은 As 유래의 sp3 혼성 궤도로 구성된다.
2. 2. sp3 혼성 궤도
다이아몬드형 구조 또는 섬아연광형 구조를 갖는 반도체는 사면체 방향으로 팔을 뻗고 있는 '''sp3''' 혼성 궤도에 의해 원소끼리 결합하고 있으며, 그 결합성 궤도에 의해 원자가띠가 구성되어 있다. 한편, 전도띠는 반결합성 궤도에 의해 구성되어 있다.s 궤도와 p 궤도의 에너지 차이가 크고, Γ점에서는 궤도의 혼성이 없기 때문에 원자가띠 상단 부근은 거의 p궤도의 성분으로 이루어져 있으며, 밴드 도표상에서는 위로 볼록한 에너지 분산 관계가 된다. 스핀-궤도 상호작용이나 kp 섭동을 도입함으로써 밴드의 축퇴가 풀리고, 무거운 정공 밴드, 가벼운 정공 밴드, 스플릿오프 밴드로 나뉜다. 이것은 3개의 p궤도, 즉 px, py, pz 궤도의 궤도 각운동량 성분(궤도 자기 양자수 m = -1, 0, 1)이 각각 다르다는 것과, 스핀 각운동량(s = ± 1/2)을 포함한 총 각운동량의 차이에 기인한다.
규소(Si)나 저마늄(Ge)과 같이 단일 원소로 이루어진 IV족 반도체와, 갈륨비소(GaAs)나 인듐비소(InAs)와 같이 여러 원소로 이루어진 화합물 반도체에서는 원자가띠를 구성하고 있는 궤도의 성분에 차이가 있다. 기본적으로 원자가띠는 전기음성도가 큰 원소 유래의 '''sp3''' 혼성 궤도에 의해 구성되어 있다.
예를 들어, GaAs에서는 Ga와 As가 공유 결합으로 결합하고 있지만, 동시에 이온성 결합도 가지고 있다. 전기음성도의 차이에 의해 Ga 원자와 As 원자에 전하의 편향이 생겨 전자는 As 원자 쪽에 오랫동안 머물러, 원자가전자는 As 원자의 궤도를 점유한다. 그러면, 마델룽 에너지에 의해 As 유래의 '''sp3''' 혼성 궤도와 Ga 유래의 '''sp3''' 혼성 궤도에 에너지 차이가 생겨, 원자가띠는 에너지가 낮은 As 유래의 '''sp3''' 혼성 궤도로 구성된다.
2. 3. 밴드의 축퇴와 해소
스핀-궤도 상호작용이나 kp 섭동과 같은 요인에 의해 밴드의 축퇴가 해소되고, 무거운 정공 밴드, 가벼운 정공 밴드, 스플릿오프 밴드로 나뉜다. 이는 3개의 p궤도, 즉 px, py, pz 궤도의 궤도 각운동량 성분(궤도 자기 양자수 m = -1, 0, 1)이 각각 다르다는 것과, 스핀 각운동량(s = ± 1/2)을 포함한 총 각운동량의 차이에 기인한다.2. 4. 화합물 반도체의 궤도 성분
규소(Si)나 저마늄(Ge)과 같이 단일 원소로 이루어진 IV족 반도체와, 갈륨비소(GaAs)나 인듐비소(InAs)와 같이 여러 원소로 이루어진 화합물 반도체는 원자가띠를 구성하는 궤도의 성분에 차이가 있다. 기본적으로 원자가띠는 전기음성도가 큰 원소 유래의 '''sp3''' 혼성 궤도에 의해 구성된다.예를 들어 GaAs는 Ga와 As가 공유 결합을 하는 동시에 이온성 결합도 가지고 있다. 전기음성도 차이로 Ga 원자와 As 원자에 전하 편향이 생겨 전자는 As 원자 쪽에 더 오래 머무르며, 원자가 전자는 As 원자의 궤도를 점유한다. 그러면 마델룽 에너지에 의해 As 유래의 '''sp3''' 혼성 궤도와 Ga 유래의 '''sp3''' 혼성 궤도에 에너지 차이가 생겨, 원자가띠는 에너지가 낮은 As 유래의 '''sp3''' 혼성 궤도로 구성된다.
3. 반도체의 분류
반도체는 불순물 함량에 따라 진성 반도체와 불순물 반도체로 나뉜다.
- '''진성 반도체'''(intrinsic semiconductor영어, 真性半導体일본어) : 불순물이 거의 포함되지 않은 순수한 반도체이다.
- '''불순물 반도체'''(extrinsic semiconductor영어, 不純物半導体일본어) : 의도적으로 불순물을 첨가한 반도체이다. 불순물의 종류에 따라 P형 반도체와 N형 반도체로 나뉜다.
3. 1. 불순물 반도체
의도적으로 불순물을 첨가하여 전기적 특성을 조절한 반도체이다. 불순물의 종류에 따라 P형 반도체와 N형 반도체로 나뉜다.4. 반도체 소자
반도체의 특성을 이용하여 다양한 전자 소자를 만들 수 있다. 서로 다른 유형의 반도체를 접합하여 pn 접합, 쇼트키 접합 등을 만들 수 있다.
4. 1. 접합
서로 다른 유형의 반도체를 접합하여 pn 접합, 쇼트키 접합 등 다양한 형태의 접합을 만들 수 있다.
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