결정(Crystalline Materials)

고체(solid)는 크게 결정(crystalline), 비결정(amorphous), 다결정(polycrystalline)의 세 종류로 분류될 수 있다.

비결정체는 결정체의 섭동(perturbation)으로 이해하고, 다결정은 결정체들의 모임으로 이해하므로, 고체 이론은 기본적으로 용어나 개념이 결정체를 기준으로 정의돼 있다.

 

결정이란 원자의 주기적인 배열을 말하며, 이 주기성은 공간에 규칙적인 간격으로 배열된 점들로 기술되는데, 이를 격자(lattice)라고 부른다.

 

격자에는 다양한 종류가 있으나 대부분의 반도체 물질이 형성하는 정방형(Cubic) 격자에 대해 살펴본다.

 

 

정방형 격자에는 Simple Cubic(SC) 격자, Body Centered Cubic(BCC) 격자, Face Centered Cubic(FCC) 격자 등이 있다.

격자를 이루는 각각의 원자들에 대해서 가장 가까운 이웃(nearest neighbor) 원자들의 수는 모두 동일한데, Simple Cubic 격자는 6개, Body Centered Cubic 격자는 8개, Face Centered Cubic 격자는 12개의 nearest neighbor를 가지고 있다.

 

 

Cubic 격자들은 Lattice Constant라 불리는 길이(위 그림에서 $a$로 표기된 한 변의 길이)로 그 크기를 말할 수 있다.

 

실리콘(Si), 저마늄(Ge), 탄소(C) 등의 원소들이 결정을 이루면, FCC격자의 각 격자점에서 $(a/4,\; a/4,\; a/4)$위치에 원자 하나가 추가된 구조를 가지게 되는데, 이를 다이아몬드(diamond) 구조라고 부른다.

<Diamond Lattice>

다이아몬드 구조에서 각각의 원자들은 4개의 nearest neighbor를 가지고 있다.

 

다이아몬드 구조에서 2가지 원자가 번갈아 나타나는 경우를 Zincblend 구조라고 부르며, 갈륨아세나이드(GaAs)가 대표적인 Zincblend 구조를 갖는 물질이다.

 

 

다음 글에서는 실리콘(Si)을 기준으로 에너지 띠(Energy Band)에 대해서 설명하겠다.