[반도체의 특성] 진성반도체와 외인성반도체

 

 

반도체는 단원소 반도체로는 4가인 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 6가인 세슘(Se)이 있다. 이 중에서 실리콘(Si)이 보통 많이 사용된다고 한다. 많이 쓰인다는 실리콘으로 진성반도체와 외인성반도체를 알아보자.

 

 

 

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진성반도체는 불순물(impurity)을 포함하지 않는 반도체를 말한다. 실리콘은 최외각 전자가 4개인 4가의 원소이다. 원소들은 완전히 채워진 전자구각을 선호하기 때문에 실리콘도 주위의 실리콘 원소들과 전자를 공유함으로써 최외각전자가 8개인 안정한 전자구조를 가지려고 한다. 이러한 실리콘 결정의 결합을 공유결합이라고 한다. 

 

공유결합 해서 가운데 Si는 8개의 안정한 전자구조를 가지고 있음

 

각 실리콘 원자들은 주위의 실리콘 원자들과 전자를 공유함으로써 최외각전자가 8개인 안정한 전자구조를 가지고 있다. 이에 따라 낮은 온도에서 실리콘에는 공유결합에 의해 모든 전자들이 원자핵에 구속되어 있으므로 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 없다. 따라서 외부전압을 인가하더라도 전류가 형성되지 않는다. 

 

그러나 상온에서는 열에너지(0.026eV)에 의해 약간의 전자가 여기될 수 있다. 여기된 전자는 자유롭게 움직일 수 있으며, 전자가 빠져나간 자리에는 정공(hole)이 발생한다. 이렇게 발생한 정공은 양의 전하를 가진 전자처럼 행동한다. 따라서 실리콘에 외부전압을 걸어주면 전자와 정공의 이동에 의해 전류가 형성될 수 있다. 

 

진성반도체에서는 전류를 형성하는 것이 전자와 정공이다. 이렇게 전류를 형성하는 것들을 캐리어(carrier)라고 부른다. 

캐리어 = 전자, 정공 등등....

 

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외인성반도체는 실리콘 원소의 일부를 3가 또는 5가인 원소로 치환한 반도체를 말한다. 위의 Si 공유결합 중 Si 원소 하나 자리에 비소(As)가 치환된다면 실리콘과 공유결합을 하고 나서도 전자가 하나 남는것을 볼 수 있다. 비소는 최외각전자가 5개이기 때문이다. 이렇게 치환된 비소들이 실리콘 원소들과 결합하고 남은 전자들이 자유롭게 움직일 수 있는 자유전자들이 된다.

 

외부 전압에 의해 이 전자들이 이동함으로써 전류가 형성될 수 있다. 따라서 이런 외인성반도체에서는 캐리어가 전자이다.

 

 

비소(As)와 같이 5가인 원소를 치환한 반도체를 n형 반도체라고 부른다. 캐리어인 전자의 전하량이 negative이기 때문에 n형 반도체라고 한다. 치환된 5가의 불순물(like 비소)들은 쉽게 여기되어 전도대에 전자들을 제공한다. 이에 따라 불순물의 에너지준위는 전도대 근방에 존재하여야 한다. 그리고 이런 불순물을 전자를 제공한다는 의미의 도너(Doner)라고 부른다. (donate)

 

 

최외각 전자가 하나 남는 5가가 아니라 하나 없는 3가인 갈륨(Ga)으로 치환한다면?

갈륨은 3가이므로 4가인 실리콘 원자와 결합하기 위해서는 전자 하나가 모자란다. 이에 따라 비어있는 자리인 정공이 발생한다. 외부전압을 걸어주면 주위의 전자가 이 정공을 채우게 되고 그 전자가 원래 있던 자리에는 또 다른 정공이 발생하게 된다. 이렇게 연속적으로 발생되는 정공을 차례로 전자가 이동하면서 채움으로써 전류가 형성된다. 

 

 

 

 

그래서 이런 외인성반도체의 경우에는 캐리어가 정공이고, 정공은 전하량이 positive이기 때문에 p형 반도체라고 부른다. 치환된 3가의 불순물(갈륨)들은 가전대의 전자들을 쉽게 받아들이게 되고, 이에 따라 가전대에는 정공들이 발생한다. 따라서 이 불순물들의 에너지준위는 가전대 근방에 존재하여야 한다. 이 불순물들은 전자를 받아들인다는 의미의 어셉터(Acceptor)라고 부른다. (accept)

 

 

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진성반도체  → 실리콘 반도체, 캐리어 : 전자, 정공

외인성반도체 → n형반도체 캐리어 : 전자, p형반도체 캐리어 : 정공

 

 

 

 

 

 

 '과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초' 책을 공부하여 작성 하였습니다.