반도체 semi(반) conductor(도체)
- 도체 : 전기가 잘통합
- 절연체 : 전기가 잘 안통함
- 도체와 절연체의 중간
- 열, 빛, 자장 등 영향으로 성질이 크게 바뀌어 다양한 용도로 사용 가능
=> 방송, 통신 기기, 가전, 로봇 등 모든 전기전자기기에 사용
=> IT산업의 쌀
반도체의 주원료
- 초기 : 게르마늄
- 오늘날 : 실리콘
윌리엄 브래드포드 쇼클리와 반도체
- 전자는 반도체라는 고체 안에 존재
반도체란
1. 원자구조
2. 반도체와 공유결합
3. 진성 반도체와 불순물 반도체
원자의 정의
- 물질의 특성을 갖는 더이상 쪼갤수없는 작은 입자
- 특정수의 전자와 양자 가짐
보어의 원자 모델
- 원자 핵(nucleus)과 전자(electron)으로 구성
- 원자핵은 양성자 potron, 중성자 neutron으로 이루어짐
- 전자는 음-으로 대전된 입자
원자번호와 질량
- 원자번호 tomic number : 전기적 중성인 원자속 전자의 수
- 주기유표 periodic table : 원자 번호와 질량 순으로 배열
- 중성상태 neutral : 모든 원소의 원자는 양자의 수와 동일한 전자 개수를 가짐 => 전기적 중성
전자각 shell
- 원자 내 전자는 핵으로부터 일정한 거리 궤도를 그리며 움직임
- 전자가 돌고있는 궤도.
- 개발적인 전자각은 허용된 에너지 준위에서 한정된 수의 최대 전자를 가짐
- 최외각, 가전자각 : 가장 바깥쪽의 궤도
- 가전자 valence : 최외각 전자를 돌고있는 전자. 더 높은 에너지 준위를 가지는 전자. 핵으로부터 인력이 최소.
=> 화학적 반응, 물질의 구조, 전기적 성질 등에 영향을 미침
이온화
- 원자가 열 혹은 빛 에너지흡수
- 핵으로부터 이탈(자유전자) 중성 -> +를띄는 양이온
- 새 전자가 원자궤도로 들어오면. 중성 -> 음이온
반도체와 공유결합
반도체란?
- 전기가 잘통하는 도체와 통하지 않는 절연체의 중간적 성질을 나타냄
- 순수한 상태에서 부도체와 비슷한 특성
- 불순물 첨가에 의해 전기전도도가 늘어나고, 빛이나 열에너지에 의해 일시적으로 전기전도성을 갖는 물질
- 도체 절연체의 차이를 어떻게 알까 -> 구분은 해당 물체의 에너지 대역의 차이로 알 수 있음
실리콘 Si의 에너지 대역
가전자대
- 전자들이 가질수 있는 가장 높은 에너지 준위
- 원자핵의 영향을 아직 받고 있는 에너지준위
-> 외부 에너지에 의해 핵의 구속을 벗어날 수 있는 에너지 준위
전도대
- 가전자대의 전자가 원자핵의 구속으로부터 이탈하여 이탈하여 자유로워지는데 필요한 에너지 준위
-> 자유 전자가 존재
절연체, 도체, 반도체 비교
- 절연체 : 에너지간격이 매우큼. 높은 에너지저항. 가전자대에서 전도대로 전자이동이 힘듬(고무, 나무)
- 도체 : 에너지간격이 거의없음. 전도대에 많은 자유전자가 존재. 매우 낮은 에너지저항(구리, 금, 은)
- 반도체 : 에너지간격이 절연체보다 작고 도체보다 큼. 외부 에너지가 없으면 절연체와 같음. 얻으면 전류흐름
실리콘 원자결합
- 4개의 원자로 구성됨
- 진성 반도체 : 불순물이 섞이지 않은 순수 반도체
* 옥텟 규칙 : 가전자가 8개일때 가장 안정한 상태가 됨
공유 결합
- 4개의 가전자를 가지는 실리콘 원자는 주위 다른 4개의 실리콘 원자와 가전자 공유하여 결합
- 실질적으로 8개 가전자로 구성되어 화학적으로 안정되게 하는 결합
반도체에서 어떻게 전류가 흐를까
자유 전자와 정공
- 자유 전자 : 빛, 열 에너지를 얻으면 가전자 에너지가 커져 궤도를 이탈해 자유전자가 됨
- 정공 hole : 자유전자로 궤도를 이탈하고 남은 빈자리
- 재결합 recombination : 궤도를 이탈한 자유전자가 에너지를 읽고, 가전자대의 빈자리로 다시 돌아오는 현상
자유 전자들의 이동 - 전자 젼류 electron current
- 자유전자와 정공은 반도체에 전류를 흐르게하는 반송자
1. 실리콘 양끝에 전압 인가
2. 자유전자들은 전계에 의해 쉽게 +로 이동
3. 전류가 생성
정공 전류 hole current 생성
- 정공이있는 가전자 레벨에서 발생
- 약간의 에너지를 얻으면 근처의 정공으로 이동 -> 다른 빈자리를 생성
공유 결합 방법에 따른 반도체의 분류
- 진성 반도체
- 불순물 반도체 : p형 반도체, n형 반도체
진성 반도체
- 4가 반도체 원자 이외에 다른 원자(불순물)이 없는 상태
- 안전한 공유결합으로 외부 에너지를 얻어도 전도대가 존재하는 자유전자와 가전자대에 존재하는 정공이적음
=> 전도도가 낮다
불순물 반도체
- 전도도를 높이기 위해 불순물을 섞어 전자나 정공의 수를 늘린 반도체
- 도핑 doping : 순수 반도체에 불순물을 넣어 반송자(전기를 전도하는 전자와 정공)를 증가시키는 과정
- 정공을 증가시킨 P형 반도체와 자유전자를 증가시킨 N형 반도체가 존재
P형 반도체
- 정공 수를 늘리기 위해 3가 불순물 원자(알루미늄, 붕소) 첨가
- 4가 원자에 3가 원자를 첨가하면, 공유 결합으로 8개 최외각 전자가 필요하나 1개의 빈자리(정공) 생성
- 다수 반송자 majority carrier : 정공
- 소수 반송자 minority carrier : 전자
N형 반도체
- 자유 전자를 늘리기 위해 5가 불순물 원자(비소, 안티몬) 추가
- 4가 원자에 5가 원자를 첨가하여 공유 결합으로 8개 가전자가 사용되나 1개의 여분의 전자(자유전자) 생성
- 다수 반송자 : 전자
- 소수 반송자 : 정공
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