재료의 전기적 성질 (3) - 진성 반도체, 외인성 반도체 -n형/p형

반도체는 재료의 특이한 전기적 특성에 의해 여러면에서 유용하게 사용이 되는데, 재료의 전기적 성질은 아주 적은 불순물에도 매우 민감하게 변하게 됩니다. 진성 반도체는 순수한 재료의 전자 구조에 의한 전기적 특성을 나타내는 재료가 됩니다. 그러나 특성이 불순물에 의해 좌우될 때는 이를 외인성 반도체라고 합니다.

 

진성 반도체 

 

진성 반도체는 0K에서 전자로 꽉 채워진 가전자대와 비어 있는 전자대가 보통 2eV보다 작은 에너지 밴드 갭으로 분리된 구조에 의하여 특징 지어집니다. 화합물 반도체는 주기율표상에서 멀리 떨어져 있을수록 원자 결합이 보다 이온 결합성을 띠게 되며 에너지 밴드 갭이 증가하게 됩니다. 따라서 보다 절연체의 성향을 지니게 됩니다.

 

정공

 

진성 반도체에서 1개의 전자가 전도대로 여기될 때마다 공유 결합에서 1개의 전자를 잃어버립니다. 에너지 밴드 구조에 의하면 정공은 가전자대에서 비어있는 전자 준위에 해당됩니다. 전기장이 가해지면 결정 격자 내에서 전자를 잃어버린 자리는 불완전하게 채워진 결합을 계속적으로 채우면서 움직이는 다른 가전자에 의해 움직이는 것처럼 여겨집니다.

그러므로 이러한 가전자대에서 전자가 빠진 자리를 양이온 입자, 정공으로 취급함으로써 간편해집니다.

전기장을 가하면 전자와 정공은 반대방향으로 움직이고, 서로 격자 결함에 의해 산란 현상을 일으킵니다.

 

진성 전도율

 

진성 반도체에는 두가지 형태의 전하 운반자가 있으므로, 전기 전도를 나타내는 식 \(\sigma=nlel\mu_e\)은 정공에 의한 영향을 더해 \(\sigma=nlel\mu_e+plel\mu_h\)를 만족하게 됩니다.

여기서 p는 단위 부피당 정공의 수, \(\mu_h\)는 정공의 이동도 입니다. 반도체에서 정공의 이동도는 전자의 이동도보다 항상 작게 됩니다. 또 진성 반도체에서 밴드갭을 뛰어넘는 하나의 전자는 반드시 하나의 정공을 생성시키므로 n=p=\(n_i\) 를 만족합니다 여기서 \(n_i\)는 진성 운반자 농도를 의미합니다.

 

외인성 반도체

 

실제적으로는, 거의 모든 반도체는 외인성입니다. 즉, 불순물을 투입하여 전자 또는 정공을 형성 시키게 됩니다.

여기에는 2가지, n형과 p형이 있습니다.

 

n형 외인성 반도체

 

예를들어 규소 원자 반도체를 생각해보면, 규소원자는 4개의 전자를 가지고 주변의 4개 규소 원자와 공유결합을 형성하는데, 전자가 5개인 불순물이 치환형 불순물로써 첨가되면, 5개의 전자중 오직 4개만이 결합하고 1개는 약한 정전기적 인력에 의해 느슨하게 결합이 됩니다. 이는 쉽게 떨어져나갈 수 있어 자유전자가 됩니다.

이러한 원자를 도너 전자라고 합니다. 하나의 남은 전자는 도너 준위에 있게 되며 쉽게 여기될 수 있습니다.

이 경우 전도대의 전자 수는 가전자대에 있는 정공 수 보다 훨씬 많아져 \(\sigma=nlel\mu_e\)로 나타내질 수 있습니다. 여기서 전자를 다수 운반자, 정공을 소수 운반자 라고 합니다. 

 

p형 외인성 반도체

 

이 경우에는 반대로 전자가 1개 부족한 3개의 전자를 가진 불순물이 치환되는 형태입니다. 따라서 생긴 정공은 들뜬 도너 전자와 유사하게 여기 상태에 있고 여기서의 원자를 억셉터라고 합니다. 이 정공의 준위는 억셉터 준위라고 합니다.

따라서 \(\sigma=plel\mu_h\)로 나타낼 수 있습니다. p형 반도체의 페르미 준위는 밴드 갭 내에서 억셉터 준위 쪽으로 가까이 위치해 있습니다.  이러한 과정들을 도핑이라고 합니다.