진성반도체, P형 반도체, N형 반도체 비교

지난 시간에 반도체의 기초에 대해 알아보았어요.

반도체의 정의와 (진성)반도체가 동작하는 원리,

그리고 반도체를 이해하는데 필요한 원자, 전자에 대해 공부했죠.

- 반도체(Intrinsic semiconductor) 기초

 

이번 시간에는 진성 반도체에서 변형된,

'P형 반도체'와 'N형 반도체'가 무엇인지,

어떤 차이를 가지고 있는지 알아보도록 할게요.

 

 

목차

① P형 반도체, N형 반도체 간략한 소개(진성 반도체와의 비교)

② P형 반도체

③ N형 반도체

④ 진성 반도체, P형 반도체, N형 반도체 비교

 

 

 

 

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① P형 반도체, N형 반도체 간략한 소개(진성 반도체와의 비교)

 규소는 반도체의 주 원료이구요,

원자번호 14번, 규소(Si)의 원자 모형

 

옥탯 규칙에 의해서 규소 원자들은 공유결합을 이루고 있어요.

공유결합을 이루고 있는 규소 원자(최외각 전자만 표시)

 

하지만, 규소 원자만으로 이루어진 반도체의 전기전도도는 굉장히 낮아요.

상온에서의 이온화율은 매우 낮구요, 따라서, 캐리어의 농도가 극도록 낮기 때문이죠.

온도를 높이면 이온화율이 높아져서 도체로 사용가능하지만,

온도를 높이는 것은 굉장히 비효율적입니다.

 

그렇다면, 어떻게 반도체의 전기전도도를 쉽게 높일 수 있을까요?

규소 원자들 사이에 불순물을 섞으면 어떻게 될까요?

이 질문들이 P형 반도체와 N형 반도체의 핵심이에요.

 

순수한 반도체에 어떤 불순물을 섞냐에 따라서, 다른 성질을 가지게 되구요,

이 불순물의 최외각전자가 4개보다 적은가 혹은 많은가에 따라서

P형 반도체와 N형 반도체로 나뉘게 됩니다.

 

참고로, 진성 반도체에 불순물을 섞는 행위를 '도핑한다'라고 표현합니다.

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② P형 반도체

주기율표

주기율표에서 보면, 규소(Si)원소는 14번째 열(14족 원소)에 있어요.

그리고 이 14족 원소들은 4개의 최외각 전자를 가지고 있죠.

 

P형 반도체는 14족 원소로 이루어진 진성 반도체에

13족 원소인 분소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In)등을 도핑한 반도체에요.

 

13족 원소는 3개의 최외각전자를 가지고 있는데요,

진성반도체에 있는 14족 원소가 13족 원소로 치환되면

다수의 14족 원소와 소수의 13족 원소가 공유결합을 하면

전자가 들어갈 수 있는 공간(정공, hole)이 생깁니다.

 

예를 들어서, 14족 원소들 사이에 1개의 13족 원소가 공유결합을 했어요.

P형 반도체 예시 : 1개의 13족 원소 도핑

 

그리고 이 정공은, 다른 전자로 채워질 수 있는 공간이에요.

14족 원소끼리 공유결합을 할 때는 인근에 전자가 움직일 수 있는 공간이 없어서

전자의 이동이 쉽지 않지만,

중간에 13족 원소가 도핑돼면 전자가 움직일 수 있는 공간이 생기면서

전자의 이동이 비교적 쉬워지는 거죠.

인근의 정공으로 이동하는 전자

 

정리할게요.

13족원소 1개를 진성 반도체에 도핑하면 1개의 정공이 생깁니다.

그리고 정공이 많아질수록, 즉 13족 원소를 많이 도핑할수록, 전자가 더 쉽게 이동할 수 있어요.

 

이때, 정공은 상대적으로 양전하를 띠고 있구요,

그래서, 'Positive'의 앞글자를 따서 P형 반도체라고 합니다.

 

이때, 전류를 흐르게 하는 주 원인,

즉, 다수캐리어(Majority carrier)는 정공이구요,

공유결합이 약해져서 발생하게 되는 전자가 소수캐리어(Minority carrier)가 됩니다.

 

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③ N형 반도체

 N형 반도체는 진성반도체에

주기율표에서 15족 원소(15번째 열)인 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등의 원소를 도핑한 반도체에요.

 

13족 원소의 최외각전자가 3개이듯이, 15족 원소의 최외각전자는 5개이구요,

마찬가지로 진성반도체 사이에 15족 원소가 도핑되면

이번에는, 1개의 전자가 남게 됩니다.

 

N형 반도체 예시 : 1개의 15족 원소 도핑

 

즉, 도핑된 15족 원소 1개당 1개의 캐리어가 생겨서,

온도의 증가없이도 전류가 흐를 수 있게 되는거죠.

이때, 전자는 음전하를 띠고 있으므로,

'Negative'의 머리글자인 'N'을 따서 N형 반도체라고 해요.

 

N형 반도체에서는 숫자가 많은 전자가 다수캐리어(Majority carrier)가 되고

정공이 소수캐리어(Minority carrier)가 돼요.

 

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④ 진성 반도체, P형 반도체, N형 반도체 비교(정리)

 진성반도체는 최외각 전자가 4개인 14족 원소로 이루어진 반도체에요.

온도가 상승함에 따라 캐리어가 발생하고, 더 강한 전류가 흐를수 있어요.

하지만, 상온의 상태에서는 전류가 미약하기도 하고,

사용할때마다 원하는 정도까지 온도를 조절해서 사용하는것도 용이하지 않아서

 

14족 원소에 다른 물질들을 첨가해서 P형 반도체, N형 반도체를 만들어서 사용합니다.

 

P형, N형 반도체의 경우 진성반도체와 다르게,

자유전자가 존재하구요, 따라서 온도가 높아지면 저항이 커지고 전기전도도는 낮아집니다.

 

최근에는 14족원소에 13족, 15족 원소를 도핑하는 방법 외에도

13족, 15족 원소만 사용해서 반도체를 제작하기도 해요.

예를 들어서 갈륨비소(GaAs)나 인듐인(InP)가 있으니, 참고하시면 될 듯 하네요.

 

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여기까지, P형 반도체, N형 반도체에 대해 알아보았구요,

다음시간에는 PN접합에 대해 포스팅해볼게요.