전자의 기초지식


실리콘

반도체 재료는 여러 가지를 사용하고 있으나 일반적으로 반도체라고 하면 실리콘(silicon)을 연상할 정도로 많이 사용되고 있다. 실리콘은 다른 반도체에 비하여 우수한 특성을 가지고 있기 때문이다.

실리콘은 게르마늄에 비하여 열의 발산이 좋고(약 3배) 온도의 영향도 적으며, 안정적인 산화막인 이산화규소(Sio₂)를 간단한 공정으로 만들 수 있어 집적화가 쉽다. 경도가 있어 좋고 높은 순도와 내용이 똑같은 커다란 단결정으로 만들기 쉽고 자원이 풍부하다.

<표 1>

원소	비율
산소 실리콘 알루미늄 철 칼슘 나트륨	46.60% 27.72% 8.13% 5.00% 3.63% 2.83%

<표 1> 땅 표면에 있어서의 원소의 비율

게르마늄은 99.99....&로 9가 10개 이상 붙어 있으나, 실리콘은 9가 12개 이상으로 높은 순도이다.

반도체는 불순물의 양과 종류에 따라 민감한 영향을 받기 때문에 불순물은 가능한 한 배제하고, 고 순도로 정제할 필요가 있기 때문에 실리콘이 적합하다.


화합물 반도체

실리콘(Si), 게르마늄(Ge)으로 대표되고 있는 하나의 원소로 구성되어 있는 반도체에 대해 두 종류 이상의 원소가 결합해서 반도체의 성질을 나타내는 물질을 화합물 반도체라고 부른다. 대표적인 것으로 갈륨비소(GaAs) 반도체와 알루미늄갈륨비소 반도체가 있다.

실리콘과 게르미늄은 주기율표에서 IV족에 속해 있으나, 화합물 반도체는 주기율표의 III족과 V족 같은 원소의 조합에 의해서 구성된다. 이와 같이 원소의 조합을 목적에 따라 변화시킴으로써 목적에 따른 여러 가지 종류의 화합물 반도체를 만들 수 있다.

<그림 1> 반도체 재료로 사용되는 주요 원소

갈륨비소는 실리콘에 비해 약 5개의전자 이동도를 얻을 수 있어 집적회로의 고속화에 유리하다. 다음은 발광 수광 기능이 있고 가시광선에서부터 적외광선까지 효율 좋게 발광하는 성질을 가진다. 다시 말하면 화합물 반도체 갈륨 비소는 실리콘 다음 세대의 반도체로서, 전자 이동도가 높아 전기적 신호를 빨리 전달할 수 있을 뿐 아니라 공학적 응용도 가능하다. 실리콘은 반도체소자로서 가장 많이 사용되어 왔고, 또 앞으로 10년 후까지도 가장 중요한 반도체로서 계속 사용될 전망이다. 실리콘은 기억소자 등 집적회로에 집중적으로 쓰이는데, 우리나라도 이 분야(메모리 분야)의 반도체 발전에 특히 앞서 있다.

그러나 그 중에서도 군사용이나 인공위성 등 매우 빠르게 정보를 처리해야 하는 경우에는 갈륨비소가 많이 쓰인다. 값이 비싸고 만들기 어려운 단점이 있어서 보통의 메모리 분야에서는 쓰일 수 없다. 그런데 실리콘으로는 안되고 반드시 갈륨비소와 알루미늄 비소가 반도체소자로 쓰여야 할 곳이 있다. 그것이 바로 레이저 분야이다.

실리콘을 직접회로에 쓸 경우는 비용도 적게 들고 훨씬 더 좋은 품질을 만들 수 있지만, 실리콘의 광학적 특성상 레이저를 만들 수 없다. 실리콘에서는 빛이 잘 나오지 않기 때문이다. 반면에 갈륨비소는 발광체로 만들기 쉬워 레이저로 충분히 쓸 수가 있다. 또한 실리콘의 경우에는 집적도가 높아지면 소자간 분리기술로 일부에 절연층을 형성해야 되지만, 갈륨비소는 원래 고저항이기 때문에 그대로 절연층의 역할을 한다.

화합물 반도체를 만드는 데 있어 두 가지 이상의 물질을 화합해서 결정체를 얻어내기 때문에 균질한 결정체를 만드는 데 필요한 조성비의 제어 등 실리콘등에 비해 어려운 면도 있다. 따라서 갈륨비소는 큰 원형의 단면적을 가진 결정을 얻기 어렵다는 문제가 발생한다. 단면적이 작으면 웨이퍼 면적도 작아서 조금밖에 칩을 만들 수 없다는 경제성의 문제도 있다.

현재는 화합물 반도체 집적회로는 기술적 발전을 거듭하여 소형화.저소비 전력화가 가능하기 때문에 소형의 통신기기 등 송.수신 장치의 일부로 실용화 되고 있다.

※ 출처 - http://www.bazi.pe.kr