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박재우 박사
미국 Univ. of Michigan-Ann Arbor 전자공학 박사(반도체 전공)
삼성전자, 삼성디스플레이 임원
KAIST 전자공학과 초빙교수
연세대학교 재료공학과 산학협력교수
일본 파나소닉 반도체 연구소 근무
미국 아나디직스-뉴저지 근무
국방과학연구소 연구원
반도체 30년, 이론, 실무 경력(대학, 연구소, 산업현장)
현)앤디솔(NDSol/Next Device Solution) 대표
수상내역
2010년) 자랑스런 삼성인상 기술상수상 (삼성전자)
2013년) 2020년 대한민국 산업을 이끌 미래 100대 기술 주역 수상 (한국 공학한림원)
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반도체 강좌. (1) 실리콘 결정구조와 에너지 밴드.
주변 4개의 원자와 각각 하나씩 최외각 전자를 공유함으로서 최외각 전자를 8개로 유지합니다. (2) 에너지 밴드와 밴드 갭. (Energy band & Band gap)
Source: gamma0burst.tistory.com
Date Published: 6/6/2021
View: 2319
[반도체 특강] 반도체 전자와 에너지 – SK하이닉스 뉴스룸
전자에너지는 순수실리콘일 때 전류에 기여하는 전자들이 얼마나 되는지 … 반도체는 도체와 절연체의 중간이 되고, 특히 실리콘의 밴드갭은 1.12eV …
Source: news.skhynix.co.kr
Date Published: 10/6/2022
View: 1696
반도체 상식 : 2. 반도체의 기반 “밴드갭(Band-gap)”
이번 포스터는 반도체의 기본인 밴드갭(Band-gap)에 대해서 써보려고 합니다 밴드갭을 이해 … 반도체의 기본 “웨이퍼(Wafer)와 실리콘(Silicon)”.
Source: j-science.tistory.com
Date Published: 9/26/2021
View: 5697
<하루하나> 1.반도체 에너지 밴드 & 밴드 갭 – 다음블로그
실리콘은 4족원소로 14개의 전자가 원자를 둘러싸고 있습니다. 그 전자들의 각각의 위치가 있는데요, 이를 에너지 준위(Energy Level)라고 하며 1s(2개)- …
Source: blog.daum.net
Date Published: 4/13/2022
View: 9656
반도체 물질 특성 – 또바기
참고로 순수 실리콘에서 밴드갭은 1.1eV 정도이다. 2. 커패시턴스 트랜지스터 1개당 커패시터 1개, 산화물 반도체(2족금소+산소)가 사용되는 이유?
Source: gmooning5.tistory.com
Date Published: 12/18/2021
View: 2843
광전효과: 실리콘(Si)의 광흡수원리 – SW 및 HW의 모든 것
모든 고체는 원자의 배열, 반지름 길이, 결합방식 등에 따라서 각각 다른 밴드 갭을 형성하고 있다. 밴드 갭의 크기에 따라 광을 흡수하는 성질이 …
Source: life-researcher.tistory.com
Date Published: 6/16/2021
View: 9121
[오토모티브 특집] 와이드 밴드갭 반도체를 사용한 차세대 …
원래의 바이폴라 스위치 기술이 실리콘 MOSFET으로 대체되었으며 고전압·고전력 분야에는 IGBT(고전력 스위칭용 반도체)가 여전히 지배적으로 사용되고 …
Source: www.epnc.co.kr
Date Published: 11/16/2022
View: 2236
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주제에 대한 기사 평가 실리콘 밴드 갭
- Author: Park Jaewoo
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- Date Published: 2018. 1. 22.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=ZouKOPfFjIQ
반도체 강좌. (1) 실리콘 결정구조와 에너지 밴드.
–
방학을 맞아… 전공 정리겸 반도체에 대해 연재를 해볼까 합니다.
반도체 칩에 대해 다루면서, 기초 이론에 대해 한마디도 안 하고 있는건 뭔가 아닌거 같아서 늘 하려고 생각하고 있었는데, 졸업도 코 앞이니 마지막 여유라 생각하고 시작하려고 합니다.
반도체와 관련된 모든 내용에 정통한게 아닌데다가, 알고 있는 것도 대다수의 사람들에게 이해시킬만한 내공이 없는 관계로 중요치 않은건 설렁설렁 넘어갈 수도 있습니다. -_-;;
그리고 수식은 최대한 생략할겁니다.
쓰기도 귀찮을뿐더러 원리가 중요하지 수식은 나중입니다. 이거보고 계산할 일도 없을테니까요.
있을지 모르겠지만, 틀렸거나, 내용이 부족하거나, 궁금하거나, 이것도 다뤄줬으면 하는 부분이 있으면 말씀해주세요.
다 컨텐츠가 되고, 정보가 됩니다. 물론 제가 알고 있는 범위에서…;;
첫 시작은 반도체의 기반이 되는 물질, 실리콘부터 입니다.
–
(1) 실리콘의 결정구조. (Crystal structure of Silicon)
현대의 반도체를 이해하기 위해서는 기반이 되는 실리콘과 고체의 결정구조에 대한 이해가 우선되어야 합니다.
여기서 말하는 실리콘(silicon, Si)은 원자번호 14 의 원자를 말하는겁니다. 규소라고도 하지요.
물론 반도체쪽에서는 그냥 실리콘이라고 부르는게 일반적입니다.
성형에 쓰는 실리콘은 규소수지 등의 규소화합물을 말하는 것으로 다른 물질입니다.
스펠링도 silicone 으로 다르지요.
(실리콘 단원자의 전자 구성.)
실리콘은 14족 원소로 최외각 전자가 4개입니다.
최외각 전자의 개수때문에 실리콘을 4족 원소라고 부르는 경우도 있습니다.
(엄밀히 따지면 4가 라고 부르는게 맞는듯.)
그냥 적당히 넘어가면 됩니다. 중요한건 최외각 전자가 4개라는 사실이니까요.
최외각 전자가 원자핵과의 결합력이 가장 약하고, 그 때문에 원자핵의 영향에서 이탈하기 가장 쉽습니다.
원자핵과의 결합을 깨고 이탈한 전자는 자유전자가 됩니다.
이것이 최외각 전자의 구성이 원자결합을 형태를 결정하는 요소인 이유이며, 그렇기 때문에 최외각 전자의 수가 중요한겁니다.
원소는 안정된 상태로 변화하려는 특성이 있고,
최외각 전자 개수를 기준으로 8개(혹은 없거나…)가 안정된 상태입니다.
이는 최외각 전자가 없거나 8개인 18족 원소(헬륨, 네온, 아르곤 등)가 다른 원소와 결합하지 않는 등,
매우 안정된 상태를 유지하고 있다는 것으로도 알 수 있습니다.
(실리콘의 공유결합.)
결국 실리콘 단원자는 불안정한 상태란 얘기이고, 다른 실리콘 원자와의 공유결합을 통해 안정된 상태를 유지합니다.
주변 4개의 원자와 각각 하나씩 최외각 전자를 공유함으로서 최외각 전자를 8개로 유지합니다.
(2) 에너지 밴드와 밴드 갭. (Energy band & Band gap)
원자핵에 종속된 전자들은 연속적인 에너지를 가질수 없고, 양자화된 에너지를 갖고 있습니다.
범위 안에 아무 값의 에너지를 가질수가 없고, 특정 값의 에너지만을 가질수 있다는겁니다.
원자가 하나일 때는 양자화된 에너지 준위가 선의 형태로 나타납니다.
원자가 가질 수 있는 에너지가 몇개의 선으로 나타나는거지요.
하지만, 공유결합을 통한 고체결정구조가 되면 얘기가 달라집니다.
원자간, 전자간, 원자와 전자간의 간섭이 발생하면서, 에너지 준위는 세분화되고 그 간격이 촘촘해집니다.
그와 동시에 에너지 준위가 겹치는 부분에서는 에너지 준위가 반발하면서 멀어집니다.
(단원자에서의 에너지 준위(좌)와 다수 원자 결합에서의 에너지 준위(우))
그 결과 생기는 것이 에너지 밴드와 밴드갭 입니다.
에너지 준위가 촘촘해져서 특정 구간내에 모든 에너지 준위에 전자가 존재할 수 있게된걸 에너지 밴드라고 하고, 그 에너지 밴드들 사이에 전자가 존재할 수 없는 에너지 구간을 Forbidden Band(금지대) 라고 합니다.
전자는 에너지 밴드 내의 모든 에너지 값 중의 하나를 가질 수 있지만,
Forbidden Band 내의 에너지 값은 갖지 못 하는겁니다.
그게 뭐 많다고 선이 밴드(면)이 될 정도라고 생각할지 모르겠지만, 실리콘 결정 1cm^3 에 존재하는 실리콘 원자가 10^22 개 정도입니다.
천문학적인 숫자입니다.
위의 얘기들이 왜 그렇냐는 부분에 대해서는 설명하기가 매우 어렵습니다.
양자역학적인 원자 구조에 대한 연구의 결과가 그렇다고만 알고 넘어가면 됩니다.
(양자역학 그러면 고등학교나 공대의 기초 물리 수준 생각하는 분들이 간혹 있는데,
본격적으로 파고들면 한 학기갖고 다 못 가르치는 수준입니다. 수학도 왠만큼 해야되고…
수업듣고나니 멘붕오면서 동시에 과학사에 이름을 남긴 과학자들이 인간으로 안 보임.)
(Conduction band 와 Valence band)
이렇게 다수 형성된 에너지 밴드에서 낮은 에너지 준위부터 전자가 채워집니다.
그러다보면 어느 순간 비는 에너지 밴드가 생기겠지요.
이 때, 전자가 채워진 마지막 밴드를 Valence band(가전자대)라고 하고,
바로 위 밴드를 Conduction Band(전도대)라고 합니다.
그 사이의 Forbidden band를 Band gap 이라고 합니다.
이름에서 알 수 있듯이,
Conduction band 에 있는 전자는 자유전자가 되어서 전기전도 등에 참여할 수 있습니다.
다만, 이것이 가능하려면 Valence band에서 에너지를 얻어서 Conduction band로 올라갈 수 있어야합니다.
이 때 필요한 최소 에너지가 Band gap의 크기가 되는거고요.
Valence band의 전자들이 앞서 말한 최외각 전자들입니다.
이런 구조는 어떤 고체 물질에서나 다 존재하는 것으로 Band gap의 상태에 따라서 도체, 반도체, 부도체로 물질의 특성이 결정됩니다.
Band gap이 크다면, Valence band의 전자가 Conduction band로 쉽게 넘어갈 수 없기때문에 전기전도도는 낮아집니다. 부도체이지요.
Band gap이 작다면, Valence band의 전자가 Conduction band로 쉽게 넘어갈 수 있기때문에 전기전도도는 높아집니다. 도체입니다.
대부분의 금속들은 Band gap이 없거나, Valence band와 Conduction band가 중첩되어 있습니다.
그만큼 자유전자가 많고, 그렇기때문에 금속의 전기전도도가 높은 것이지요.
반도체는 Band gap이 적당한 크기입니다.
일반적인 상황에서는 Valence band의 전자가 Conduction band로 쉽게 넘어갈 수 없지만, 인위적으로 약간만 조정을 하면 도체적인 특성을 갖도록 할 수 있습니다.
(Si의 Band gap은 300K(=27도씨)에서 1.12eV 입니다.)
인위적으로 전자를 컨트롤할수 있다는 부분은 반도체가 등장하게된 결정적인 원인 중 하나입니다.
(3) 왜 실리콘인가?
허구많은 물질을 놔두고 왜 실리콘이 반도체의 주역이 되었는가에 대해서는 정확히 모르겠습니다만,
몇 가지 추측은 가능합니다.
1. 지구에 많이 존재.
지구과학 시간에 지구 구성 8대 원소를 외웠고 기억하고 있다면 알겠지만, 규소는 지구에서 두번째로 많이 존재하는 원소입니다. (첫번째는 산소.)
막말로 바닷가의 모래가 다 규소입니다. (정확히는 규소산화물, SiO2)
(물론 아무 모래를 퍼서 실리콘 결정을 만드는건 아니지만…)
구하기 쉽고, 가격이 싸다는 장점이 있겠지요.
이게 결정적인 이유일겁니다.
2. 특성.
실리콘의 물리, 화학적 특성이 반도체 공정상 유리하기때문입니다.
사실 초기 반도체를 이끈건 저마늄(게르마늄이라고 했었지요.)이었습니다.
실리콘에 비해 더 좋은 전류 특성을 갖고 있었지만, 녹는 점, 허용전압, 동작 온도가 낮습니다.
낮은 녹는 점은 반도체 공정에서 제한을 가져오는 요소이고, 낮은 허용전압과 동작 온도는 사용 조건에 한계가 됩니다.
3. 산업적 측면에서의 선점 효과.
저마늄을 제치고 실리콘이 대세가 되었지만, 위기가 없었던건 아닙니다.
반도체 생산에 있어서 공정미세화는 필수인데, 한계가 온겁니다.
너무 작아져서 빛의 파장으로는 만든 반도체를 관찰할 수가 없었던겁니다.
이 때, 실리콘보다 물성이 좋은 GaAs 등 다른 소재에 대한 연구가 활발히 진행됩니다.
하지만 전자빔을 사용하는 전자현미경이 등장합니다. (최초가 TEM)
문제가 해결된거지요.
실리콘 기반으로 산업적 기반이 자리잡은 상황에서 문제점이 해결되었으니 굳이 다른 소재로 넘어갈 필요가 없겠지요.
산업적 기반이 선점된 상황에서는 기술적 우위가 높은 시장 점유율로 이어지지 않다는건 다양한 사례가 보여주고 있지요.
4. 실리콘은 자연 산화막을 쉽게 발생하는데 이 실리콘 옥사이드(SiO2)는 절연막으로 성능이 좋습니다.
다른 물질에서는 얻기 힘든 특성.
5. 적절한 밴드갭 (Band Gap)
모스펫에서 채널 컨트롤의 기본 컨셉은 게이트 전압을 통해 반전층(inversion layer) 채널을 형성해서 스위치를 on 한다는겁니다.
밴드갭이 크면 반전층을 형성하는데 너무 높은 게이트 전압이 필요하게되는데 이러면 중간 절연층에 부하가 심해집니다.
절연 파괴의 위험이 있고 수명 측면에서도 문제가 됩니다.
반대로 밴드 갭이 너무 좁으면 도체에 가까운 특성으로 가기때문에 on/off 컨트롤이 힘듭니다.
실리콘은 적절한 밴드갭을 갖고 있는겁니다.
[반도체 특강] 반도체 전자와 에너지
반도체의 에너지 개념은 대체로 어렵게 느끼는 분야입니다. 이는 거시적으로 익숙한 환경에서 새로운 환경인 미시적 개념으로 고찰을 해야 하기 때문이죠. 그렇다면 우리는 반도체 에너지를 반드시 알아야 할까요? 그 개념을 모른다 해도 반도체 라인에서 업무를 하는 데에는 대부분 지장이 없습니다. 그러나 반도체 소자(디바이스)나 제품 영역에서는 에너지 개념의 기반 위에 업무가 전개되는 경우가 많습니다. 오늘은 수식을 다루거나 계산을 풀이하지 않고 개념 위주로 소개하면서 원자 내 전자 운동, 양자화, 에너지 개념, 페르미통계함수 해석을 알아보고 이러한 것들이 어떠한 의미를 갖는지에 대해 두 편에 걸쳐 다루고자 합니다.
전자와 에너지
▲ 전자와 에너지의 관계
원자는 원자핵과 원자핵 주위를 도는 전자로 구성되는데, 반도체에서는 오직 전자만을 대상으로 합니다. 따라서 여기서 다룰 모형들은 초창기 원자 모형인 보어의 개념을 근간으로 했으며, 그 근간 위에 최근의 현대원자모형을 설명하는 확률과 파동성을 가미했습니다. 에너지는 전자가 받는 에너지이고, 전자에너지를 바탕으로 전자가 원자의 구심력(원자핵과 전자 사이의 전기적 인력)을 떨치고 뛰쳐나갔을 때, 전류에 기여하는 전자들이 주위의 원자들과 어떤 관계를 주고받는가를 다룹니다. 원자나 전자는 실체(형이하학적)가 있는 반면, 형이상학적인 전자에너지는 전자가 일을 할 수 있는 능력을 물리량으로 환산한 개념입니다. 전자에너지는 순수실리콘일 때 전류에 기여하는 전자들이 얼마나 되는지와, 불순물(3족,5족) 투입 후 전자들이 원자에 그대로 머물러 있는지 혹은 전자들이 원자를 이탈하여 얼마나 이동하는 전자(전류 등)에 기여하는지를 판단할 수 있게 합니다.
반도체와 최외각전자
▲ 반도체와 최외각전자
원자핵을 중심으로 운동하는 전자 중, 반도체에서 이용하는 전자는 원자의 가장 바깥에서 운행하고 있는 최외각전자(최외각전자 중에서도 대부분 잉여전자)입니다. 최외각전자는 소스와 드레인 단자 사이의 채널을 만들거나, 플로팅게이트로 진입하는 전자(데이터 저장)들, 혹은 소스에서 드레인으로 이동하는 전자(Tr을 ON)들을 공급하는 원천이 됩니다. 이때 원자들은 정해진 규칙(양자화 원칙)에 따라 전자들을 차례로 공급하고, 전자들 역시 에너지 밴드(Energy Band)와 에너지 갭(Energy Gap)이라는 원칙이 있기 때문에 이들의 순서를 지켜가며 이동하지요. 그중 반도체의 물리 현상에 핵심적인 영향을 끼친 ①에너지 밴드 및 ②에너지 밴드와 밴드 사이를 형성하는 에너지 갭을 살펴보겠으며, 더 나아가서 ③페르미 분포함수(전자가 어디에 존재하는지에 대한 확률)와 최외각전자(혹은 자유전자)와의 관계에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 전자는 거시물리학으로 판단하기에는 너무 작고 입자성보다는 파동성이 크며 실측이 불가능(불확정성원리)합니다. 때문에 간접적으로 에너지를 통해 통계적으로 원자모형을 만들어 전자가 원자 내 존재하는 확률로 거동을 살필 수밖에 없고, 전자의 존재 여부를 분포확률로 계산해내지요.
에너지의 양자화
▲ 양자화된 궤도와 양자화된 에너지 레벨 @단원자
원자 내 전자가 갖는 에너지란 원자핵으로부터 이격되어 있는 전자가 갖는 전위에너지로써, 전자에너지의 양자화란 에너지가 비연속적으로 구분되어 떨어져 있는 상태을 의미하며, 더 이상 줄일 수 없는 최소한의 작은 에너지 단위가 집합을 이루어 존재하는 것입니다. 전자에너지는 원자핵으로부터 멀어질수록 높은 에너지 단계에 있게 되며, 전자들이 원자 속으로 채워질 때는 낮은 에너지 단계에서 높은 단계로 전자들이 순차적으로 들어차게 됩니다.
원자핵을 초점으로 타원운동을 하는 전자는 원자핵으로부터 일정 거리에 따라 몇 개씩 뭉쳐서 돌고 있는데, 이 궤도를 주양자 궤도로 볼 수 있습니다. 그런데 궤도 내에서 몇 개씩 뭉친 전자의 형태를 자세히 보면 더욱 짧은 간격으로 나뉘어 돌고 있는 것을 볼 수 있는데요. 이는 부양자 궤도로 구분합니다. 부양자 궤도는 또다시 궤도각운동량으로 나누어지고(자기양자수), 최종적으로는 전자들이 자전하는 방향이 어떻게 되느냐로도 나뉘게 됩니다(스핀양자수). 이렇게 위치와 운동 형태마다 각각 에너지량을 구분할 수 있었고, 이를 에너지의 양자화라고 했습니다. 즉 거시적 세계에서는 연속적인 성격을 띠는 에너지를 미시세계에서는 작은 단위로 나누어 각 에너지 위치에 속한 전자들에게 서로 다른 퍼텐셜에너지 값을 부여할 수 있게 되었죠.
다원자에서의 에너지 양자화
▲ 에너지 밴드 형성 @ 다원자 상태
자연현상에서는 원자가 단원자로 존재하는 경우는 거의 없습니다. 특히 반도체에서는 대부분 많은 수의 원자들(10^22개/cm^3)이 격자 상태로 상호결합하여 고체를 이루고 있죠. 다원자에서는 단원자의 에너지 양자화 개념이 확장되는데요. 원자들이 격자화 되어 있는 다원자에서도 파울리의 배타원리가 적용되어 전자들은 (-)상태로 서로 부딪치지 않고 서로 다른 에너지, 서로 다른 위치에 존재하며 적정한 궤도상에서 운동하고 있습니다. 그러므로 이를 전부 엮어 에너지로 나타내면 주양자 궤도 레벨의 에너지 묶음(에너지 밴드)이 됩니다. 또한 동일 주양자 궤도 상의 원자들이 무수히 많으므로, 원자들이 모여 형성된 에너지 사이의 간격은 거의 Zero에 가까워서 에너지값들이 떨어져 있지만 동시에 거의 붙어있다고 볼 수 있습니다.
에너지 밴드
▲ 에너지 밴드 : 가전자대역과 전도대역
반도체에서는 양자화되어 있는 에너지 밴드(띠) 중 최상위 에너지를 가진 밴드를 전도대(도전띠, Conduction band)라고 하고, 전도대 바로 아래의 에너지 밴드를 가전자대(혹은 원자가띠, Valence band)라고 합니다. 전도대는 자유전자가 원자에 얽매이지 않고 흐를 수 있는 상태 즉 최외각전자가 원자에서 탈출한 상태이고, 가전자대는 전자가 원자를 탈출하지 못하고 원자의 최외각궤도 상에 있는 상태를 의미합니다. 반도체에서는 전자가 최외각 껍질에 있는 상태만을 다루므로, 에너지 밴드로는 전도대와 가전자대(실리콘 주양자수인 경우, M궤도)만을 구분하여 검토합니다. 실질적으로는 전도대란 원자 밖의 세상이므로 원자 내의 에너지 밴드에 속한다고 볼 수 없습니다(도체에서는 가전자대와 전도대가 겹쳐있어서 가전자대에 있는 전자도 전도대에 있는 전자처럼 흐르게 됩니다). 에너지 밴드 영역의 크기는 최소 에너지량이 있어서 최소 에너지량 대비 몇 배가 되는지의 여부로 확인 할 수 있습니다.
에너지 밴드갭
▲ 에너지 밴드(Band)와 에너지 갭(Gap)
에너지 밴드갭은 에너지 밴드와 밴드를 구분하고 분리하는 역할을 하는데, 다른 말로는 금지대역 혹은 금지대역폭이라고도 합니다. 에너지가 양자화된 개념을 기초로 볼 때, 밴드갭은 에너지와 에너지 사이의 에너지가 없는 상태를 의미합니다. 에너지 밴드갭은 실질적으로 전자들이 존재하지 않는 영역입니다(전자들을 존재하게 하는 에너지가 없으니 전자들이 있을 수 없겠지요). 밴드갭도 갭의 크기에 따라 에너지량이 달라지는데요. 그 크기는 밴드갭의 상부 에너지 대역의 가장 아랫부분 에너지 레벨에서 밴드갭의 하부 에너지 대역의 가장 윗부분 에너지 레벨을 빼면 됩니다. 즉 밴드갭도 최소에너지량 대비 몇 배가 되는지로 확인 가능하답니다. 이렇게 계산해보니 도체는 최외각밴드갭이 없으며, 절연체는 밴드갭이 매우 높은 상태라고 볼 수 있습니다. 반도체는 도체와 절연체의 중간이 되고, 특히 실리콘의 밴드갭은 1.12eV가 되지요. 그래서 밴드갭의 의미는 반도체에서 자유전자를 뽑아내는 데 얼만큼의 에너지가 필요한지를 나타내는 척도라고 할 수 있습니다. 밴드갭의 에너지(Eg)는 적정량이 가장 좋습니다. 너무 크면 Tr을 ON시키기가 힘들고, 너무 작으면 Tr이 OFF되어야 할 상황임에도 불구하고 너무 쉽게 ON이 되어 Tr을 제어하기가 도리어 힘들어집니다. 이런 의미에서 Si14는 밴드갭 측면에서도 적정수준을 유지하는 환상적인 반도체 재질이 되겠습니다
오랫동안 거시적인 세계의 기준으로 미시적 세계를 해석하려 했던 여러 가지 시도는 실패했습니다(어떤 경우는 동일 현상을 관찰했을 때, 거시적 해석과 미시적 해석의 결과가 반대로 나오기도 했지요). 입자의 크기가 파동의 크기에 비해 현격히 작은 경우, 통계와 확률로 판단할 수밖에 없으므로 그에 따라 불확정성 원리 및 에너지의 양자화 등이 등장했습니다. 전자의 확률적 존재를 에너지의 불연속성을 통하여 입증해내는 작업이 플랑크, 보어, 파울리를 거쳐서 진행되었으며, 슈뢰딩거와 하이젠베르크가 최종적으로 증명해내었습니다. 그 후 에너지 밴드 및 에너지 갭 개념이 발전되었고, 페르미와 조머펠트의 도움으로 반도체 내부의 전자들의 입자 수(농도)와 이동 현상을 해석해낼 수 있어서 반도체를 만들 때 외부에서 얼마의 가스량을 주입해야 하는지를 가늠(기타 변수들도 동일)할 수 있게 되었습니다. 이렇듯 현대과학의 발전을 더듬어보면 반도체의 발전이 필연적일 수밖에 없고, 향후 미래과학과 더불어 반도체 산업은 꾸준히 융성할 것입니다.
※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.
반도체 상식 : 2. 반도체의 기반 “밴드갭(Band-gap)”
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이번 포스터는 반도체의 기본인
밴드갭(Band-gap)에 대해서 써보려고 합니다
밴드갭을 이해하기 위해선
먼저 단결정(Single crystal)에 대해서 이해하셔야 합니다
단결정에 대한 내용은 지난 포스터에
설명한 글이 있으니 아래 링크를 참조하시기 바랍니다
반도체 상식 : 1. 반도체 기본 “웨이퍼(Wafer)와 실리콘(Silicon)”
밴드갭은 뭘까요?
밴드(Band)는 우리말로 “띠”라는 뜻이고
갭(Gap)은 “간격”이라는 뜻이니까
띠와 띠 사이의 간격 이라고 생각하실 수 있는 데요
간단하게 예를 들어 설명을 드리겠습니다
하나의 주택 집이 있다고 생각해보죠
집을 짓기 위해선 가장 먼저 있어야 될 건 무엇일까요?
당연히 집을 짓기 위한 기반인
“땅”이 있어야 합니다
밴드갭은 집을 짓기 위한 기반인
땅과 같은 존재라고 생각하시면 됩니다
즉, 아무것도 없는 순수한 상태인 것이죠
밴드갭은 어떻게 형성이 될까요?
밴드갭은 수없이 많은 원자들의 결합을 통해
형성 이 됩니다
이 때 조건은 “단결정 결합”을 하고 있어야 하죠
먼저 많은 사람들이 알고 있는
보어의 원자 모형을 통해서 설명을 드리죠
반도체에서 많이 쓰이는 실리콘을 예를 든다고 하면
실리콘의 원자 모형은 아래와 같습니다
실리콘에 대한 보어 원자 모형
원자는 가운데 양성자, 중성자가 있고
바깥 쪽으로 전자 껍질이 있고
전자 껍질 안에 전자가 존재하고 있습니다
양성자와 중성자는 밴드갭을 이해하기 위해서
딱히 필요없는 것이니 따로 설명을 드리진 않겠습니다
우리가 여기서 집중해야 할 것은 바로
“전자 껍질”입니다
전자 껍질은 여러 개의 에너지 준위로 이루어져 있습니다
s, p ,d , f, ….등
여러 가지가 있지만 그냥 단순하게
전자 껍질을 “에너지 준위(Energy state)”라고 하겠습니다
(전자 껍질 = 에너지 준위)
실리콘 원자가 딱 하나가 있을 때는
위에 있는 그림의 원자 모형 형태로 존재할 겁니다
여기서 실리콘 원자가 하나가 아닌
두 개가 결합을 하고 있다면 어떻게 될까요?
두 개의 원자 모형이 따로 존재하는 형태가 될까요?
이렇게 존재할까요?
아닙니다
두 개의 원자 모형이 겹쳐져 있는 형태로 존재하게 됩니다
(그 이유는 두 원자의 결합 거리가 거의 무한대로 가깝기 때문 )
동일한 자리에 동일한 에너지 준위가 2개 존재하는 거죠
전자는 그림에서 제외했습니다..
그런데 동일한 자리에 있는 2개의 에너지 준위는
서로 싸움이 일어나게 됩니다
(엥?)
세상엔 2개의 태양이 존재할 수 없듯이
서로 자리를 차지하려고 싸우게 되죠
결국 이 둘은 휴전을 맺고 분리가 일어나게 되는 데요
동일한 자리에 둘이 존재하지 않고
서로 약간의 차이를 두고 대치 상태를 이루게 됩니다
이러한 상태를 전문 용어로
“파울리의 배타 원리(Pauli exclusion principle)”이라고 합니다
볼프강 파울리 (노벨 물리학상 수상)
출처 : 위키백과
파울리의 배타 원리는 간단하게 설명해서
“동일한 위치에너지에 동일한 에너지 준위는 존재할 수 없다”입니다
즉, 동일한 자리에 동일한 에너지 준위 2개 이상이
존재할 수 없다기 때문에
이를 만족하기 위해서 동일한 에너지 준위가 분리되고
약간의 에너지 차이를 두게 되는 것이죠
그런데 만약 2개가 아닌
수 없이 많은 실리콘 원자들이
규칙적으로 결합(=단결정)이 되어 있다고 하면
어떻게 될까요?
눈치 채신 분들도 계시겠지만
동일한 자리에 있는 에너지 준위가
더 많은 분리가 일어나게 됩니다
이러한 에너지 준위의 분리들이
마치 띠와 같은 형태를 띄고 있다고 해서
“에너지 밴드”라고 불리고 있고요
이러한 밴드와 밴드 사이의 간격이
바로 “밴드갭”이 되겠습니다
참고로 밴드갭은 안정상태에서
전자가 존재하는 최외곽 에너지 밴드 와
전자가 존재하지 않는 그 다음 에너지 밴드 사이를
밴드갭이라고 명하고 있습니다
실리콘의 단결정 결합으로 인해
밴드갭이 존재함으로써
마치 집을 짓기 위한 기반인 땅이 마련된 것이죠
집은 곧 “반도체”를 말합니다
여기에 도핑(Doping, 치환)을 하게 되면
땅에 수도관을 연결하게 되는 것인데요
도핑에 대한 내용은 다음 포스터에서 작성하도록 하겠습니다
오늘도 좋은 하루 되세요!
“항상 무엇인가를 듣고, 항상 무엇인가를 생각하며, 항상 무엇인가를 배운다.
이것이 인생의 참된 삶의 방식이다”
– 아서 헬프스 –
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<하루하나> 1.반도체 에너지 밴드 & 밴드 갭
목차 : 1. 주제 설명 및 소개 / 2. 설명 / 3. 정리 /
1. 주제 설명 및 소개
참 오랜만의 포스팅이네요,,, 다시 마음을 다잡고자 <하루하나>시리즈로 찾아왔습니다!
저 혼자 공부한것 정리하고 주저리 떠드는 것이지만 아~~주 혹시나 보시는 분께 도움이 될 수 있었으면 좋겠고, 피드백 환영해요!!
각설하고 오늘은 반도체 에너지 밴드와 밴드 갭에 대해서 알아보겠습니다.
2. 반도체 에너지 밴드와 밴드 갭
2-1. 에너지 밴드란 무엇일까요?
모든 원자에는 각 전자가 위치할 수 있는 허용된 에너지 준위가 있습니다. 이 에너지 준위가 뭐냐?
대표적인 예로 실리콘을 들어보자면,
실리콘은 4족원소로 14개의 전자가 원자를 둘러싸고 있습니다. 그 전자들의 각각의 위치가 있는데요, 이를 에너지 준위(Energy Level)라고 하며 1s(2개)-2s(2개)-2p(6개)-3s(2개)-3p(2개)로 14개의 전자가 각 위치에 존재합니다.
※에너지 준위: 원자해긔 주위를 회전하고 있는 전자가 가질 수 있는 에너지 수준으로 원자핵과 가까울수록 낮고 원자핵에서 멀어질수록 높다.
하지만 분자와 같이 원자 간의 거리가 가까워지면, 전자의 에너지 준위가 서로 중첩이 되고, 파울리 배타원리에 의해 인접한 원자의 전자가 가질 수 있는 에너지 준위가 미세하게 변하게 됩니다.
이러한 분자가 모여서 고체 결정 구조를 이뤘을때, 주위에 수많은 원자는 서로서로 에너지 준위가 중첩되면서 에너지 준위가 밴드형태로 일정한 폭을 갖게되며 이를 ‘에너지 밴드’라고 합니다.
2-2. 밴드 갭
이러한 에너지 밴드는 전자의 유무(상대적으로 많은지 적은지,,,,)에 따라
전자가 가득차있는 가전자대(Valance band),
전자가 거의 없지만 가전자대에 있는 전자가 에너지를 받아 올라갈 수 있는 전도대(Conduction band),
이 두개의 밴드 사이에 전자가 존재하지 않는 밴드갭(Band gab)으로 구분할 수 있습니다.
위처럼 실리콘을 다시 예시로 들어보자면,
4족원소인 실리콘은 옥텟규칙에 의해 최외각 전자를 8개로 채우려고 하는 성질이 있습니다.
실리콘 원자들이 모여 결정구조를 이루게 되면 sp3 혼성결합(hybrid bonding)을 하게 되어 3s(1개)-3p(3개)로 가전자대를 구성하고 여기에 각각 1개씩 총 4개의 전자가 더 들어갈 수 있는 빈자리가 형성되는데 이것을 “전도대”라고 부르게 됩니다. 가전자대와 전도대 사이에 전자가 허용되지 않는 영역이 밴드갭입니다! 쉽죠 ㅎㅎ? 실리콘의 경우 상온에서 1.1eV의 갭을 갖습니다.
3. 정리 및 심화
3-1. 정리
자 여기까지 저의 설명을 읽어주시느라 감사했습니다ㅎㅎ
위 글을 읽고 뭐라는 거지? 그래서 요점이 뭐야? 하실 분들을 위해서
다시한번 하나하나 되짚어 보며 정리타임을 갖겠습니다.
모든 물질은 원자로 구성되어있고, 이러한 원자는 원자핵과 전자로 구성됩니다.
이때, 원자핵 주위를 돌고 있는 전자가 가질 수 있는 에너지 수준을 에너지 준위(Energy Level)라고 하며, 원자핵과 가까울 수록 에너지 수준은 낮고 원자핵에서 멀어질 수록 높습니다.
쉽게 설명해보자면, 원자핵은 전자를 끌어당기는 힘을 갖고 있습니다. 원자핵에서 멀리 떨어진 전자는 그만큼 힘이 세기 때문에(에너지 수준이 높기 때문에) 멀리 떨어져서 존재한다고 생각하시면 쉽습니다.
이러한 원자들을 여러 개 모아 동일한 간격으로 배열하게 되면, 더 나아가 고체 결정과 같이 수많은 원자가 있으면, 전자에너지는 띠처럼 영역을 형성하는데 이를 에너지 밴드(Energy band)라고 합니다. 밑의 그림을 참고하면 이해가 쉽습니다.
저렇게 하나의 선들이 모여서 띠를 형성하게 되고 이를 에너지 밴드라고 부릅니다.
하나하나의 선들은 전자가 존재하는 위치라고 생각하시면 편합니다.
밑에 최외각 전자가 가득 채워져있는 밴드를 가전자대(Valance band),
이 최외각 전자가 에너지를 얻어 올라올 수 있는, 전자가 채워져 있지 않은 위쪽의 밴드를 전도대(Conduction band)라고 합니다.
아! 그럼 밴드는 전자가 존재할 수 있다! 아 알겠다! 근데 밴드 밖은? 존재할 수 없겠죠?
이와 같이 전자가 존재할 수 없는 에너지 간격을 에너지 갭(Energy gab)이라고 합니다.
다르게 말하면 전도대(Conduction band)의 최소 에너지 값과 가전자대(Valance band)의 최대 에너지 차이를 에너지 갭이라고 할 수 있습니다.
3-2. 심화 (페르미준위, 부도체/반도체/도체)
여기까지 위의 설명을 다시 정리한 내용입니다. 이제 심화로 넘어가볼까요?
① 페르미 준위
절대온도 0k에서 전자들은 가장 낮은 에너지 상태에 존재합니다.(가장 안정적인 상태이니까,,)
이때 전자의 최대 에너지 값을 페르미 준위(Fermi Level)라 합니다. 즉, 가전자대에서 전자가 차지할 수 있는 가장 높은 에너지를 의미합니다.
②부도체/반도체/도체
지금까지 에너지 밴드에대해서 자세히 배웠는데요,
우리가 흔히 고체를 전기적 특성 차이로 분류했을 때 부도체/반도체/도체로 구분할 수 있습니다.
그리고 우리는 오늘 배운 내용을 응용해서 이를 설명할 수 있습니다. 바로 에너지 갭 존재 및 크기의 차이를 이용해서!
부도체(Insulator): 흔히 알고 있는 유리와 플라스틱같은 전기가 통하지 않는 고체 입니다.
이 부도체는 가전자대가 전자로 완전히 채워져 있고, 밴드갭이 4eV 이상이여서 가전자대의 전자가 전도대로 쉽게 올라가지 못해 전도에 참여할 수 없어서 전기 전도성이 낮은성질을 갖게 됩니다.
반도체(Semiconductor): 우리나라 특산물이죠,, Si Ge등 4족원소가 주로 반도체로 이용되며 이름에 나와있듯이 ‘반은 도체’라는 뜻입니다.
반도체는 가전자대가 전자로 완전히 채워져 있지만 에너지 갭이 0.1eV~4eV 정도로 작아(si는 1.1eV) 이 에너지 갭을 충분히 뛰어넘을 수 있을 만큼 작은 에너지(열,빛,전기 등)로도 가전자대의 전자가 전도대로 올라가 전도에 기여할 수 있는 물질입니다.
도체와 다른점은 에너지 갭을 뛰어넘기 위한 에너지가 꼭 필요하다는 것입니다.
도체(Conductor): 흔히 알고 있는 구리, 금, 알루미늄 등 전기가 잘 통하는 고체입니다.
도체는 가전자대와 전도대가 중첩되어 밴드갭이 없다고 보는데요, 따라서 전기장을 가했을 때 전자가 바로 위의 에너지 준위(전도대)로 쉽게 이동할 수 있어서 전기전도가 쉽게 일어나는 물질입니다.
오늘의 설명은 여기까지 입니다. 피드백은 환영해욧,,
이 시리즈,,, 반드시 매일매일 업데이트 하도록 노력하겠습니다.
반도체 물질 특성
1. 밴드갭
밴드갭이라는 개념을 위해 우선 전자가 궤도준위를 어떻게 변화시킬 수 있는지에 대해 살펴보아야 한다.
원자를 따라 궤도를 돌고 있는 전자들은 핵을 향한 인력에 의해 핵주위 공간에 분배된다. 이때 개별전자들은 각각의 궤도에서 자신의 위치를 갖게 된다. 이때 각각의 전자들 에너지준위는 같지않다. 원자에서는 최외각 전자의 운동궤도를 Valence shell이라 한다.(가전자각)
물질은 최외각 껍질에 8개의 전자를 채웠을때 가장 안정한 상태가 되고 이때문에 전자를 하나 더 받거나 덜어내거나 하게된다. 무수히 많은 전자들이 모이게 되면 최외각 전자들의 파동함수부터 겹침이 발생한다. 이로인해 슈뢰딩거 파동방정식의 퍼텐셜이 변화하게 되고 에너지가 변화된다. 파울리 배타법칙에 의해 에너지 준위는 splitting 되며 이로인해 운동 궤도가 운동밴드처럼 된다. Valence shell이 모여 만들어진 준위띠를 Valence band, Conduction 준위가 만들어져 생긴 띠를 Conduction Band 라 하며 이 두사이의 갭을 밴드갭이라고 한다.
(출처 : http://www.hanbit.co.kr/preview/4003/sample.pdf)
이 밴드갭은 금지된 에너지 준위다. 즉 전자가 이동하기 위해선 Valence Band에서 Conduction Band까지 뛰어오를 수 있는 에너지가 주어져야 하며 이로인해 도체, 부도체가 나뉘게 된다.
도체는 Valence Band와 Conduction Band가 겹치며 이로인해 전자가 이동하기 위해선 아주 작은 에너지만을 필요로 한다. 어떤 물질의 밴드갭은 높아서 가전자의 이동을 제한하게되며 이는 절연체이다. 반면 반도체는 밴드갭 에너지 준위가 도체와 절연체의 사이에 위치하는데 이는 반도체의 주요특성이다. 참고로 순수 실리콘에서 밴드갭은 1.1eV 정도이다.
2. 커패시턴스
트랜지스터 1개당 커패시터 1개, 산화물 반도체(2족금소+산소)가 사용되는 이유?
-> 투명전극 재료로 각광. 속도가 빠름, 투명함, 저온에서 증착가능하여 유기소재 사용가능, 즉 flexible의 가능성까지 가지고 있다. (ZrO, HfO, InGaZnO)
3. 반도체
자연에서 순수한 상태로 발견되지 않고 불순물을 제거하여 순수한 상태로 만들어야 반도체 제작에 쓰인다. 규산염에서 발견됨, 주기율표에서 절연체와 도체의 중간에 위치하기 때문에 반도체로 분류된다. 반도체 물질에서 가장 중요한것은 실리콘이다. 모든 칩의 85% 이상이 기판으로 사용된다..
1) 진성 실리콘
불순물이 없는 실리콘, 공유결합을 통해 전자들을 공유, 진성 실리콘은 절연체로 동작.
왜 실리콘인가?
– 지구에서 두번째로 풍부한 원소, 지구지각의 약 25%를 구성한다.
– 다른 4가 원소인 게르마늄에 비해 -녹는 점이 높아 제조과정이 용이
– 작동 온도범위가 높아 반도체의 응용성과 신뢰도를 증가
– 산화물이 자연적으로 성장되는 능력, 산화물(SiO2)는 외부 오염으로부터 내부 순수 실리콘을 보호하는 장벽역할도 한다. 또한 절연역할로 인접도체사이의 누설도 막아주기때문에 중요한 역할.
2) 외인성 실리콘
도핑공정을 통해 적은양의 불순물 원소를 첨가하면 전도성을 훨씬 강화시킬 수 있다.
3가(Boron – P타입) : 정공의 개수가 증가,
5가(Phosphorous – N타입) : 전자의 개수가 증가
순전하는 하지만 0이다.
일반적으로 정공의 이동속도 전자보다 느리기 때문에 N형 도핑의 저항이 조금 더 낮다.
대체 반도체 물질
Ge, GaAs(엄청난 전자이동도, 광전자소자, 디지털통신등에 쓰임, 그러나 비싸다, GaN, SiGe…
GaAs – 자연산화물이 부족하다. 이는 MOS 개발을 저해하는 요소이다. 또한 제조가격에 실리콘에 비해 10배 비싸며 As독성도 고려해야한다.
광전효과: 실리콘(Si)의 광흡수원리
모든 고체는 원자의 배열, 반지름 길이, 결합방식 등에 따라서 각각 다른 밴드 갭을 형성하고 있다. 밴드 갭의 크기에 따라 광을 흡수하는 성질이 달라진다. 실리콘(Si)의 경우 그림1과 같이 1.12eV의 밴드갭을 가진다.
그림1. 실리콘(Si)의 밴드모형(Band diagram)과 광전효과(photoelectric effect)
다음 플랑크 식에 의해서 물질의 밴드 갭을 이용해 파장을 구할 수 있다.
Eg는 물질의 밴드 갭, h는 플랑크 상수이다. 실리콘의 경우 위 식의 밴드갭(Eg)에 1.12eV를 대입하여 파장을 구해보면 1100nm의 길이를 가진 파장값이 나온다. 1100nm보다 긴 파장이 실리콘과 만나게되면, 실리콘은 그 파장들을 흡수하지 못하여 통과하고 1100nm보다 짧은 파장들만 흡수하여 전도 띠(Conduction Band)와 원자 가띠(Valence Band)에 각각 전자와 홀 쌍을 생성시킨다. 그리고 1100nm보다 더 짧은 파장일수록 실리콘에 흡수되면서 대부분 열에너지로 손실된다. 결과적으로 그림 2와 같이 실리콘 웨이퍼에 입사된 빛의 분광 조사강도(Solar spectral irradiance) 보다보다 더 낮은 출력을 낸다.
그림2. 분광조사강도(Solar spectral irradiance)
참고자료
[1] 김건영, “[캡스톤디자인]전자공학과 학사 졸업논문 – 주제 : M-S접합 태양전지(최우상작)”, (2019) [2] 김건영, “[캡스톤디자인]전자공학과 학사 졸업발표 – 주제 : M-S접합 태양전지(최우상작)”, (2019) [3] Fraunhofer ISE
[오토모티브 특집] 와이드 밴드갭 반도체를 사용한 차세대 시스템 구동
[테크월드뉴스=이재민 기자] 전 세계 전기 에너지 수요가 2020년에 30PW(페타와트)에 이를 것으로 전망됐다. 전기 에너지 수요는 앞으로 더 증가할 것이다. 전기 에너지를 생산하기 위해 화석 연료나 재생 에너지를 사용하는 것과 상관없이 비용을 최소화하고, 낭비되는 에너지를 줄이기 위해서는 전원 변환 장치의 효율이 중요하다.산업 분야가 전기 모터의 형태로 전 세계 에너지의 50% 이상을 소비한다. 데이터 센터 역시 전력을 많이 소모하며 전기차(EV) 충전으로 인해 전기 수요가 늘고 있다. 이런 이유들로 인해 지능적으로 전력 소모를 줄이기 위한 혁신이 일어나고 있다. 이 변화를 따라잡기 위해서는 전원 변환 장치로 계속해서 손실을 더 낮춰야 한다. 이 글에서는 이것을 가능하게 하는 기술로서 와이드 밴드갭 반도체 기술에 대해서 알아본다.
전원 변환 기술과 과제
전원 컨버터 디자이너의 목표는 유틸리티 AC나 DC 버스를 사용한 분배 시스템으로부터의 전압을 다양한 DC 또는 AC 전압으로 변환하면서 효율을 극대화하는 것이다. 안전이나 기능 상의 이유에서 갈바니 절연이 필요할 수 있으며 출력 전압이 입력보다 높거나 낮을 수 있고, 레귤레이션을 하거나 하지 않을 수 있다. 오늘날에는 스위치드 모드 전원 변환 기법이 널리 사용되고 있다.
원래의 바이폴라 스위치 기술이 실리콘 MOSFET으로 대체되었으며 고전압·고전력 분야에는 IGBT(고전력 스위칭용 반도체)가 여전히 지배적으로 사용되고 있다. 한편, 오늘날에는 최신 컨버터 토폴로지로 실리콘 카바이드(SiC)와 질화 갈륨(GaN)이 경쟁 기술로서 점점 부상하고 있다. 대체로 공진 타입이 최대의 효율을 달성하고, 모터 제어에는 3위상 브리지가 사용된다.
어떤 토폴로지를 사용하냐에 상관없이 온 저항 또는 스위칭 전이로 인해 손실이 누적될 수 있다. 스위칭 전이 시에 순간적으로 높은 값일 수 있다[그림 1].
[그림 1] 스위칭 전이 시에 MOSFET의 피크 전력 소모가 수 kW(킬로와트)대에 이를 수 있다스위칭 손실은 초당 전이 횟수에 비례해 주파수가 낮을수록 좋다. 그러나, 높은 주파수는 인덕터나 커패시터 같은 수동 부품을 더 작고 가볍고 저렴한 것을 사용할 수 있다. 그러므로 스위칭 주파수를 선택하는 것은 절충적이다. 예를 들어 모터 드라이브로 수 kHz(킬로헤르츠)부터 데이터 센터의 크기를 중요하게 요구하는 DC-DC 변환으로 수 MHz(메가헤르츠)에 이르기까지 다양하게 선택할 수 있다.
스위칭 전이 시에 중요한 전력 소모 요인이 디바이스 커패시턴스 C OSS 를 충전하고 방전하기 위해서 필요로 하는 에너지 E OSS 이다. 그러므로 온 저항 R DS(ON) 과 더불어 E OSS 와 C OSS 가 중요한 파라미터이다. 온 저항과 다이 면적을 곱한 R DS(ON) .A가 총 손실을 가늠할 수 있는 FOM(figure of merit)이다. 다이 면적이 줄어드는 것에 따라 커패시턴스와 그에 따른 스위칭 손실이 줄어들기 때문이다.
와이드 밴드갭 반도체
SiC와 GaN 같은 와이드 밴드갭(WBG) 반도체는 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 전자를 이동시키기 위해 비교적 높은 에너지를 필요로 한다. 높은 밴드갭 값은 특히 고온으로 더 높은 임계 항복 전압과 더 낮은 누설 전류를 가능하게 한다. 또한, WBG 디바이스는 전자 포화 속도가 우수해 더 빠른 스위칭이 가능하며 특히 SiC는 열 전도도가 우수하다. [그림 2]는 주요 특성들을 비교해서 보여준다. 모든 특성이 값이 높을수록 더 우수한 것이다.
[그림 2] 실리콘과 비교한 와이드 밴드갭 소재의 특성예를 들어 SiC는 특정한 두께로 실리콘(Si)과 비교하면 임계 항복 전압이 약 10배 더 우수하고, 10배의 도핑 농도로 드리프트 레이어를 10배 더 얇게 할 수 있다. 그러므로 Si보다 온 저항이 훨씬 낮으며 Si와 비교해 동일한 다이 면적으로 전력 소모가 훨씬 낮다. 또한, SiC는 열 전도도가 높아 다이를 아주 작게 할 수 있어 뛰어난 R DS(ON) .A FOM을 달성한다. [그림 3]은 SiC MOSFET, GaN HEMT 셀, Si MOSFET과 IGBT로 R DS(ON) .A를 비교해서 보여준다. 모든 디바이스가 650V 전압대다.
[그림 3] 동일한 전압대로 WBG와 실리콘(Si) 기술의 RDS(ON).A FOM 비교SiC와 GaN은 게이트 구동 전력 요구량이 훨씬 낮다. Si MOSFET과 IGBT는 효율적인 스위칭을 위해 상당한 양의 게이트 전하를 필요로 한다. 대형 IGBT의 경우에 수 W(와트)대에 이르는 구동 전력을 필요로 할 수 있어 시스템 손실을 증가시킨다. WBG 디바이스는 수치가 높은 주파수로도 mW(밀리와트)대의 구동 전력을 필요로 한다.
WBG 디바이스의 이점은 이것뿐만 아니다. WBG 디바이스는 실리콘과 비교하면 훨씬 높은 온도로 동작할 수 있으며 높게는 500°C를 넘는 온도로도 동작할 수 있다. 현실적으로는 패키징 제약 때문에 이 동작 온도가 제한될 수 있으나, 이처럼 높은 온도로 동작할 수 있다는 점은 여유를 확보할 수 있도록 한다. 온도에 따라서 게이트 누설과 온 저항이 변화하는 것 또한 실리콘에 비해 훨씬 낮다.
WBG 기술 개발
WBG 디바이스는 원래 실리콘보다 가격이 비쌌으나 점차 가격이 떨어지고 있으며 시스템 차원의 이점들이 이 비용을 상쇄할 수 있도록 한다. 예를 들어 효율을 향상시켜 히트싱크나 필터의 인덕터와 커패시터 같은 다른 부품들의 크기, 무게, 비용을 낮출 수 있도록 한다. 시스템 성능에 있어서도 유리하다. 더 빠른 스위칭이 가능해 부하 변화에 빠르게 대응하고, 매끄러운 모터 제어를 달성할 수 있다.
이런 이점들을 앞세워 어느 애플리케이션으로나 전원 변환에 WBG 디바이스를 사용하는 것을 고려할 수 있게 됐다. 또한, 디바이스 업체들이 기술을 계속 향상시켜 사용 편의성을 높일 뿐만 아니라 단락 회로나 과전압 같은 결함 조건으로 견고성을 높이게 됐다.
인피니언 테크놀로지스는 트렌치 구조([그림 4]의 왼쪽)를 사용해 낮은 게이트 전계 강도로 낮은 채널 저항을 가능하게 하고, 게이트 산화막 계면의 신뢰성을 높이도록 했다. 인피니언의 향상 모드 GaN HEMT(high electron mobility transistor) 디바이스는 평면 구조([그림 4]의 오른쪽)를 사용한다. 이 구조는 SiC MOSFET과 달리 진성 바디 다이오드를 포함하지 않아 하드 스위칭 애플리케이션에 특히 적합하다. SiC가 1200V 및 그 이상인 것에 비해 GaN 디바이스는 600V 정격이다. 그러나, GaN은 특정한 전압 정격으로 R DS(ON) 의 이론적 한계가 SiC보다 약 10배 더 우수하다.
[그림 4] SiC와 GaN 디바이스의 구조ST 마이크로 일렉트로닉스는 자사의 1200V SiC MOSFET으로 200°C가 가능하고, 전체 온도 범위에 걸쳐 온 저항이 낮다고 밝혔다. 빠르고 견고한 바디 다이오드를 통합해 외부적 다이오드가 필요하지 않으므로 모터 드라이브처럼 정류가 일어나는 회로로 공간과 비용을 절약할 수 있다.
로옴도 SiC MOSFET 시장에 경제적이면서 혁신적인 성능을 달성하는 제품을 내놓고 있다. 로옴의 역평행 SiC 쇼트키 배리어 다이오드를 통합한 SiC MOSFET은 까다로운 정류 스위치 애플리케이션으로 평행 다이오드의 낮은 포워드 전압 강하(1.3V)가 4.6V인 바디 다이오드와 비교해서 손실을 낮춘다.
WBG 분야의 또 다른 업체인 GaN 시스템즈는 고유의 패키징 기술에 중점을 두고, GaN의 속도와 낮은 온 저항을 최대한 활용한다. GaN 시스템즈의 ‘섬 기술(Island Technology)’은 HEMT 셀 매트릭스를 금속 바의 측면 배열과 수직으로 연결해 인덕턴스, 저항, 크기, 비용 등을 낮춘다. 또한, GaNPX 패키징 기술은 와이어본드를 제거해 열 성능을 최적화하고, 전류 밀도를 높이며 높이를 낮춘다.
파나소닉은 고유의 특허 기술을 적용해 전류 붕괴를 일으키지 않으면서 ‘normally off’ 동작을 달성하는 X-GaN 디바이스를 출시했다. 전류 붕괴란 GaN으로 드레인과 소스 사이에 붙잡힌 전자가 전이 시에 높은 전압이 인가될 때 온 저항을 증가시키는 것으로 디바이스 결함으로 이어질 수 있다[그림 5]. 파나소닉의 GIT(Gate Injection Transistor) 기술은 Si MOSFET과 같은 수준의 게이트 전압으로 구동할 수 있는 진정한 ‘normally off’ GaN 디바이스를 가능하게 한다.
[그림 5] 파나소닉의 GaN 셀은 전류 붕괴를 일으키지 않는다맺음말
WBG는 여러 측면에서 실리콘에 비해 효율성이 높으나 가격, 사용 편의성, 신뢰성 같은 점들이 걸림돌이 되어 왔다. 하지만 WBG 디바이스 업체들이 이런 문제들을 해결하고, 양산을 현실화해 다양한 시장 분야에서 이들의 디바이스가 점점 많이 사용되고 있다. 마우저 일렉트로닉스는 SiC와 GaN 기술에 기반한 WBG 디바이스 제품들을 공급한다.
<글 : 폴 리(Paul Lee)>
<자료제공 : 마우저 일렉트로닉스(www.mouser.com)>
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