[반도체 기초] 반도체의 결정 구조 -1

 

 

목차

 

 

물질의 결정 구조

물질을 결정질에 따라서 나누면, 비정질이라고 하는 amorphous, 다결정이라고 하는 polycrystalline, 단결정이라고 하는 Single crystalline이 있습니다.

 

여기서 비정질이란 원자 배열에 주기성이 전혀 없는 경우를 의미합니다. 즉, 비정질은 원자가 배열하는데 아무런 규칙 없이 무질서하게 배열하고 있는 것입니다. 

 

어디는 모여 있고, 어디는 띄어져 있고, 이것이 바로 비정질입니다. 

 

다결정은 물질 내에 결정이 많이 존재하는 경우를 의미합니다. 즉, 부분적으로는 규칙적인 원자 배열을 하지만, 이웃하는 영역과는 원자 배열이 서로 다른 경우입니다. 

 

예를 들어 다결정은 어떤 물질 내의 일부분에 원자 배열이 한 방향으로 되어 있고, 옆 부분은 다른 방향, 또 그 옆 부분은 또 다른 방향으로, 즉 원자 배열이 일정하게 여러 그룹을 형성하여 모여있으면 다결정이라고 합니다. 

 

단결정은 하나의 결정만을 가지고 있다는 뜻으로 원자들이 3차원적으로 전체 영역에서 주기성을 가지고 규칙적으로 배열한 것입니다.

 

물질 전체에서 원자 배열이 일정한 모양을 갖는 것을 말합니다. 

 

반도체는 비정질 반도체도 존재하고, 다결정 반도체, 단결정 반도체도 존재합니다. 여기서 주로 다룰 반도체는 단결정 반도체입니다. 그 이유는 단결정일 때 결정 내의 원자이동이 용이하고 물리적으로 예측이 가능하기 때문입니다. 

 

 

물질의 결정 구조

 

 

단결정의 원자 배열 관련 용어

Lattice (격자)

먼저, Lattice라는 용어를 정의하겠습니다. Lattice는 격자라는 뜻이며, 결정에서의 원자배열을 Lattice라고 이야기합니다.

아래 그림 Lattice의 2차원 배열을 보면, 원자들이 일정한 간격으로 배열되어 있습니다. 이 원자가 위치하는 점들을 격자점이라고 합니다. 

 

Unit cell (단위 세포)

다음으로 Unit cell은 단위 세포라고 하는데, 결정을 유지하는 최소 공간을 의미합니다. 아래 그림에서 회색으로 칠해져 있는 모양이 단위 세포입니다. 그런데, 어떤 모양을 사방으로 반복하게 되면 전체 격자 모양이 나오게 될 경우, 그 모양 또한 단위 세포가 될 수 있습니다. 즉, 원자 격자점을 하나만 포함하고 있는 사각형도 단위 세포가 될 수 있으며, 격자점을 사방에 가지고 있는 사각형도 단위 세포가 될 수 있습니다.

 

 

격자와 단위 세포

 

 

Lattice constant (격자 상수)

다음은 Lattice constant라고 하는 격자 상수입니다. 

 

격자 상수는 Unit cell (단위 세포)의 한 변의 길이로 약 2 ~ 20 Å (옹스트롬) 정도의 길이가 되는 아주 짧은 거리입니다. 여기서 옹스트롬 (Å) 단위는 아주 짧은 길이를 나타내는 단위로 1 Å 의 길이는 10의 -10승 m 또는 10의 -8승 cm로 엄청나게 짧은 거리입니다. 반도체에서는 주로 단위 세포 한 변의 길이를 나타낼 때 옹스트롬 단위를 사용합니다.

 

Unit cell의 한 변의 길이를 Lattice constant (격자 상수)라고 합니다. 격자 상수는 Unit cell의 모양이 달라도 일정한 값을 가집니다.

 

 

입방 결정

마지막으로 입방 결정이 있습니다. 입방 결정이란 Unit cell의 모양을 3차원으로 표현한 것입니다.

 

 

 

기본 원자 배열

기본적인 원자 배열은 크게 3가지로 볼 수 있습니다.

 

단순입방격자 (Simple Cubic)

단순입방격자, 즉 Simple Cubic이라고 하는데 줄여서 SC 구조라고 합니다. 정육면체 중에서 각 모서리 8군데 꼭짓점마다 원자가 1개씩 배치하고 있는 구조를 단순입방격자라고 합니다. 

 

단순입방격자의 경우 정육면체의 꼭짓점은 위쪽에 4개, 아래쪽에 4개가 위치하여 총 8개의 꼭짓점에 원자가 있는데, 하나의 원자는 몇 개의 단위 세포가 공유하는지 알아보겠습니다.

 

2차원일 경우에는 하나의 원자가 4개의 단위 세포를 공유하고 있었습니다. 3차원일 경우에는 밑에 4개의 단위 세포가 공유를 하고, 위의 4개 단위 세포도 공유를 하여 총 8개의 단위 세포가 공유를 합니다. 따라서 단위 세포당 원자의 수는 8군데의 꼭짓점에서 1/8 씩 있기 때문에 8 x 1/8로 1개가 됩니다. 

 

 

체심입방격자 (Body Centered Cubic)

체심입방격자는 Body Centered Cubic으로 BCC 구조라고 이야기합니다. 체심입방격자는 앞에서 설명한 SC 구조를 기본으로 하고, 꼭짓점 8군데에 원자 배치와 추가로 입방체 중심에 하나의 원자가 추가되어 있는 구조입니다. 

 

즉, 체적의 중심에 원자가 하나 더 들어가 있는 구조입니다. 체심에 있는 원자는 다른 단위 세포랑 공유하지 않기 때문에 단위 세포당 원자의 수는 총 2개가 됩니다.

 

 

면심입방격자 (Face Centered Cubic)

면심입방격자는 Face Centered Cubic으로 FCC 구조라고 이야기합니다. FCC 구조는 SC 구조에서 추가로 입방체의 각 면의 중심에 원자가 배치됩니다. 즉, 입방체의 면은 총 6개이기 때문에 6군데에 추가로 원자가 배치 됩니다. 또한 면은 두 개의 단위 세포가 만나기 때문에 원자 하나당 2개의 단위 세포가 공유합니다. 따라서 6개 면의 원자의 수는 6 x 1/2로 3개가 됩니다. 결국 면심입방격자의 총원자의 수는 SC 구조 원자의 수 1개에, 면의 원자 수 3개를 더해 총 4개가 됩니다.

 

구리, 알루미늄, 금, 은 등이 면심입방격자의 원자 배열을 하고 있습니다.

 

하지만 반도체는 단순입방격자도 아니고 체심입방격자, 면심입방격자도 아닙니다. 반도체는 면심입방격자를 응용한 새로운 구조를 가지고 있습니다. 

 

다음번에는 반도체의 다이아몬드 구조에 대하여 알아보겠습니다.

 

 

기본 원자 배열

 

[이전 글]

[반도체 기초] 반도체의 발전과 무어의 법칙

[반도체 기초] 반도체의 발전과 무어의 법칙