반도체 역사, energy band gap, pn junction. 반도체 기본 지식 1탄

반도체 역사

반도체의 역사는 진공관에서 시작된다. 진공관은 1900년대 초에 발명되어 제2차 세계 대전까지 모든 전자 장비에 전자 신호 증폭 장치로 사용되었다. 그러나 전력 소모가 많아 전자 장비 유지가 어려웠다.

진공관은 Anyak이라고 불리는 컴퓨터에 사용되었다. Aniak은 약 13,000개의 진공관을 가지고 있었고 그것을 작동시키기 위해 마을에서 전기를 사용했다. 그래서 우리는 더 발전된 장치가 필요했습니다.

1947년에 벨 연구소는 트랜지스터를 발명했다. 이 트랜지스터는 오늘날 우리가 전자 장치를 생각해 낼 수 있게 해주었고, 소형화될 수 있게 해주었다. 그 후, 1958년에 집적 회로가 개발되었다. IC는 소자뿐만 아니라 배선을 반도체 웨이퍼와 연결해 얇고 가벼우며 수명이 길다는 장점이 있다. 집적 회로에서, 그것은 시스템 반도체, 메모리 반도체로 나눌 수 있다. 시스템 반도체는 연산과 제어 처리를 수행하고, 메모리 반도체는 데이터 저장 역할을 한다. 이후 기기의 집적도를 높인 CMOS는 오늘날 프로세서, 메모리, 프로그래머블 로직, 아날로그, RF 등 모든 요소를 하나의 칩으로 통합하는 SOC로 이어졌다.

 

반도체란 무엇인가?

반도체는 도체와 부도체 사이의 중간에 있는 물질이다. 전류의 흐름은 인간의 의도에 따라 제어될 수 있다. 에너지 밴드갭은 절연체보다 작고 금속보다 크다. 그래서 상황에 따라 전류가 오락가락한다. 전자기기에 널리 사용되는 반도체는 열, 빛, 전압, 전류의 영향으로 성질이 크게 변한다. 이 기능은 매우 다양한 용도로 사용됩니다. 윌리엄 브래드포드 쇼클리는 도체나 진공 속에만 있던 전자가 완전한 도체나 절연체가 아닌 반도체라는 고체에서 흥미로운 성질을 갖는다는 사실을 처음 발견했다.

 

메모리 반도체

메모리 반도체는 데이터와 정보를 저장하는 데 사용된다. 대량 생산이 가능하고 가격이 비교적 저렴합니다. 메모리 반도체는 기기 전원을 끄면 정보가 사라지는지에 따라 크게 램과 롬으로 나뉜다. RAM은 휘발성이며, 비교적 빠른 데이터 검색 속도를 특징으로 하며, 기기의 전원이 꺼지면 저장된 정보가 사라집니다. ROM은 비휘발성 메모리로, 전원이 꺼질 때에도 정보를 계속 저장합니다. RAM은 컴퓨터의 RAM이고 SSD HDD는 ROM입니다.

 

비메모리 반도체

비메모리 반도체는 시스템 반도체라고 불린다. 우리 사회 전반에 걸쳐 다양한 운용, 제어, 정보처리 등에 사용되는 반도체다. 여기에는 CPU, 센서 등이 포함됩니다. 시스템 반도체는 소량 생산으로 많은 이익을 낼 수 있는 고부가가치 산업이다.

 

energy band gap

원자가 단독으로 존재할 때, 하나의 양자화된 수준의 에너지 수준이 있다. 원자들이 서로 가까이 접근할 때, 그들은 상호 작용하고 결합한다. 가장 바깥쪽의 전자들은 서로 공유되고 전자 궤도 사이의 간격은 좁아진다. 에너지 준위는 반연속적으로 확산되어 에너지 대역과 억제 영역을 형성한다. 전도 밴드는 전자가 거의 비어있는 밴드의 맨 아래에 있는 밴드이다. 전자는 거의 비어있지만, 약간의 전자를 가질 수 있다. 원자가 밴드는 거의 전자로 채워진 밴드의 맨 위에 있는 밴드입니다. 그것은 전자로 가득 차 있지만, 구멍이 있을 수 있습니다. 원자가대의 전자가 높은 에너지를 받으면 전도대로 이동한다.

 

PN 접합

반도체는 si로 만들어진다. Si는 4개의 원자가 전자를 가진 14족 원소이다. 이것은 진짜 반도체라고 불립니다. 원자가 4개의 전자를 공유결합할 때, 나머지 전자들은 결합되지 않는다. 그런데 문제는 이렇게 결합하면 자유전자가 없기 때문에 전류가 흐르지 않는다는 것입니다. 우리가 원하는 것은 0과 1의 신호를 주기 위해 전류를 보내는 것인데, 전류가 흐르지 않으면 신호를 보낼 수 없기 때문에 문제입니다.

그래서 저는 도핑을 할 것입니다. P형 반도체에는 13족 원소가 도핑되어 구멍이 생기고, n형 반도체에는 15족 원소가 도핑되어 자유 전자가 만들어진다. 이 구멍들과 자유 전자들은 전하를 운반하는 운반체가 된다. 전류가 흐를 수 있습니다.

이 p형과 n형 반도체를 합치면 열평형이 된다. n형 전자는 확산에 의해 p형으로 이동한다. 그리고 구멍은 n형 쪽으로 이동합니다. 움직이는 구멍과 전자는 전기장을 만듭니다. 확산에 의한 힘과 전계에 의한 힘이 같아질 때까지 확산한다. 그리고 가운데에는 사진에서 볼 수 있듯이 퇴적구역이 있습니다. Deletion 영역에서는 +에서 -로 전기장이 생성됩니다. 전자를 보면, 전자가 이동하려고 합니다

전류가 흐를 수 있도록 전압을 인가해야 합니다. 가운데 그림에서 볼 수 있듯이 역전압이 먼저 적용됩니다. 이 경우 전류 흐름이 없습니다. N 쪽에는 플러스가 있고 P 쪽에는 마이너스가 있다. N 쪽을 보면 +가 연결되어 있기 때문에 전자가 전압 쪽으로 이동합니다. 그러면, 증착 영역에 전기적으로 구멍이 증가하는 효과가 있다. 결과적으로, 고갈 영역의 면적은 더욱 증가한다. 반대로 p-영역은 동일합니다. 동시에, 잠재적 장벽은 더 커진다. 전류가 흐르기 위해서는 전자가 전류가 흐르기에는 너무 높은 전위 장벽을 뛰어넘어야 한다. 오른쪽으로 치우쳐 있습니다. 우리는 P와 플러스 n을 음의 전압에 연결했다. 결과적으로, 전위 장벽은 더 작아지고 전류가 흐른다. 페이지 n을 보면 전자가 접합면 쪽으로 이동하기 때문에 드롭 영역이 작아집니다. p형은 또한 더 작은 낙하 영역과 더 낮은 전위 장벽을 동시에 갖는다. 결과적으로 전자는 전위 장벽을 쉽게 넘을 수 있고, 전류가 흐를 수 있다.

 

breakdown

요약하면, Pn 접합은 pn이 도핑된 각 반도체의 결합으로 전류가 한 방향으로만 흐를 수 있게 한다. 전류 그래프는 전류가 흐르고 역 바이어스 전압이 인가되는 순간 전류가 흐르지 않음을 보여준다. 그리고 역방향 전류가 너무 크게 흐르면, 그것은 고장나고 장치는 고장난다.

zener breakdown
고도로 도핑될 때 발생하며, 초기와 에너지 준위 차이가 크다. 퍼블릭 픽 영역의 폭은 좁아지지만, 이 구간에서 터널링이 발생하고, p형 반도체의 자유로운 전이가 n형 반도체로 전이된다.

avalache breakdown
그것은 더 큰 역편향을 걸을 때 발생하며, 전류가 빠르게 흘러 원소를 파괴한다. 전압이 매우 크면 에너지 대역도 빠르게 구부러져 고갈 영역에서 매우 큰 전기장이 발생합니다. 이때 각 반도체의 소수 캐리어가 반대쪽으로 이동하면서 원자들이 서로 충돌하고 이온화되면서 캐리어의 수가 기하급수적으로 증가하게 된다. 급격히 증가하는 캐리어의 수가 영어로 발라슈라고 불리는 것은 발라슈 효과라고 하기 때문이다.