반도체는 구리 등의 전도체와 유리 등의 절연체 사이에 해당하는 전기 전도도 값을 갖는 물질입니다. 온도가 상승함에 따라 저항률은 감소합니다. 금속은 반대 방식으로 행동합니다. 전도성 특성은 결정 구조에 불순물("도핑")을 도입함으로써 유용한 방식으로 변경될 수 있습니다. 동일한 결정에 두 개의 서로 다른 도핑 영역이 존재할 때 반도체 접합이 생성됩니다. 이러한 접합부에서 전자, 이온 및 전자 정공을 포함하는 전하 캐리어의 동작은 다이오드, 트랜지스터 및 대부분의 현대 전자 장치의 기초입니다. 반도체의 예로는 실리콘, 게르마늄, 갈륨비소 및 주기율표에서 소위 "준금속 계단" 근처의 원소가 있습니다. 실리콘 다음으로 갈륨비소는 두 번째로 흔한 반도체이며 레이저 다이오드, 태양 전지, 마이크로파 주파수 집적 회로 등에 사용됩니다. 실리콘은 대부분의 전자 회로를 제조하는 데 중요한 요소입니다.
반도체 장치는 전류를 한 방향으로 더 쉽게 전달하고, 다양한 저항을 표시하고, 빛이나 열에 대한 민감성을 갖는 등 다양한 유용한 특성을 표시할 수 있습니다. 반도체 재료의 전기적 특성은 도핑과 전기장 또는 빛의 적용을 통해 변경될 수 있으므로 반도체로 만든 장치는 증폭, 스위칭 및 에너지 변환에 사용될 수 있습니다.
실리콘의 전도성은 5가(안티몬, 인 또는 비소) 또는 3가(붕소, 갈륨, 인듐) 원자를 소량(1/108 정도) 첨가하여 증가합니다. 이 과정을 도핑이라고 하며, 생성된 반도체를 도핑된 반도체 또는 외부 반도체라고 합니다. 도핑 외에도 온도를 높여 반도체의 전도성을 향상할 수 있습니다. 이는 온도가 증가함에 따라 전도성이 감소하는 금속의 거동과 반대됩니다.
반도체 특성에 대한 현대의 이해는 결정격자 내 전하 캐리어의 움직임을 설명하기 위해 양자 물리학에 의존합니다. 도핑은 결정 내의 전하 운반체 수를 크게 증가시킵니다. 도핑된 반도체에 자유 정공이 포함되어 있으면 "p형"이라고 하고, 자유 전자가 포함되어 있으면 "n형"이라고 합니다. 전자기기에 사용되는 반도체 소재는 p형과 n형 도펀트의 농도와 영역을 제어하기 위해 정밀한 조건에서 도핑됩니다. 단일 반도체 장치 결정은 많은 p형 및 n형 영역을 가질 수 있습니다. 이 영역 사이의 p-n 접합은 유용한 전자 동작을 담당합니다. 핫 포인트 프로브를 사용하면 반도체 샘플이 p형인지 n형인지 빠르게 확인할 수 있습니다.
반도체 재료의 특성 중 일부는 19세기 중반과 20세기 첫 10년 동안 관찰되었습니다. 전자제품에 반도체가 최초로 실제로 응용된 것은 1904년 초기 무선 수신기에 사용된 원시적인 반도체 다이오드인 고양이수염 탐지기의 개발이었습니다. 양자물리학의 발전은 1947년 트랜지스터의 발명과 1958년 집적회로의 발명으로 이어졌습니다.
가변 전기 전도도
자연 상태의 반도체는 전류가 전자의 흐름을 요구하기 때문에 열악한 전도체이며, 반도체는 원자가 밴드가 채워져 새로운 전자의 전체 흐름을 방해합니다. 여러 가지 개발된 기술을 통해 반도체 재료가 도핑이나 게이팅과 같은 전도성 재료처럼 동작할 수 있습니다. 이러한 수정에는 n형과 p형이라는 두 가지 결과가 있습니다. 이는 각각 전자의 과잉 또는 부족을 나타냅니다. 전자의 수가 균형을 이루면 물질 전체에 전류가 흐르게 됩니다.
이종접합
이종접합은 서로 다르게 도핑된 두 개의 반도체 재료가 결합될 때 발생합니다. 예를 들어, 구성은 p-도핑 및 n-도핑 게르마늄으로 구성될 수 있습니다. 이는 서로 다르게 도핑된 반도체 물질 사이에서 전자와 정공의 교환을 초래합니다. n-도핑된 게르마늄은 과잉의 전자를 갖고, p-도핑된 게르마늄은 과잉의 정공을 갖게 됩니다. 이동은 재결합이라는 과정에 의해 평형 상태에 도달할 때까지 발생하며, 이로 인해 n형에서 이동하는 전자가 p형에서 이동하는 정공과 접촉하게 됩니다. 이 과정의 결과로 움직이지 않는 이온의 좁은 띠가 형성되어 접합을 가로질러 전기장을 발생시킵니다.
흥분된 전자
반도체 재료의 전위차로 인해 열평형을 벗어나 비평형 상황이 발생합니다. 이는 양극성 확산이라는 과정을 통해 상호 작용하는 전자와 정공을 시스템에 도입합니다. 반도체 물질의 열평형이 깨질 때마다 정공과 전자의 수가 변합니다. 이러한 중단은 온도 차이 또는 광자의 결과로 발생할 수 있으며, 이는 시스템에 들어가 전자와 정공을 생성할 수 있습니다. 전자와 정공을 생성하거나 소멸시키는 과정을 각각 생성과 재결합이라고 합니다.
발광
특정 반도체에서는 여기 된 전자가 열을 생성하는 대신 빛을 방출하여 이완될 수 있습니다. 이 반도체는 발광 다이오드 및 형광 양자점의 구성에 사용됩니다.
높은 열전도율
열 전도성이 높은 반도체는 전자 장치의 열 방출 및 열 관리 개선에 사용될 수 있습니다.
열에너지 변환
반도체는 열전 역률이 커서 열전 발전기에 유용할 뿐만 아니라 열전 성능 지수가 높아 열전 냉각기에 유용합니다.
