[전자 하드웨어기초] 23. 반도체 기본, P형 반도체와과 N형 반도체

안녕하세요. 리습입니다.

 이전 시간에 반도체란, 도체와 부도체의 중간 정도의 성격을 가지고 있는 물질이며, 조건에 따라 전자가 흐르기도, 흐르지 않기도 하는 소자라는 것을 알아보았습니다. 또한 전자가 에너지로 인해 자리를 비우게 되면, 정공이라는 것이 생기고, 우리는 정공과 전자를 캐리어라고 부른다는 것도 알아보았습니다.

 전자와 정공이 캐리어라는 것은 알았지만 왜 캐리어(carrier), 이동시켜주는 것 이라고 부르는 것일까요? 그리고 정공과 전자는 어떻게 반도체에 만들어 줄까요? 이에 대해서 하나씩 알아보도록 하겠습니다.

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1. 진성 반도체, I-형 반도체(intrinsic semiconductor)

반도체는 최외각 전자의 갯수가 4개로, 불안정과 안정의 사이에 있는 물질입니다. 대표적으로 실리콘(si)이 최외각 전자가 4개인 반도체 물질이죠. 이렇게 가장 중심에서 균형을 잡고 있는 원소 자체를 진성반도체 , I-형 반도체, intrinsic semiconductor라고 합니다. 즉 불순물이 섞이지 않는 가장 순수한 상태의 반도체를 의미하죠.

 진성 반도체, I-형 반도체는 단일 원소로만 이루어진 물질이기 때문에, 캐리어 밀도 등, 반도체 동작을 위한 특성이 단일원소로만 결정이 됩니다. 따라서 반도체로 사용하기에는 아주 적절하지는 않습니다만, 순수한 물질로 이루어져 있어, 불순물이 섞였을 때와 대비해서 매우 빠른 캐리어 이동도를 가지게 됩니다. 따라서 이를 이용한 HEMT(Hetetrojunction field effect-transister)등 일부 특수한 반도체에서 사용됩니다.

2.  P-형 반도체, (P-type semiconductor)

 P형 반도체는 주요 전자 캐리어로 정공(hole)을 사용하는 반도체 입니다. 불순물을 첨가하여 전자가 빠져나가고 남은 공간인 정공을 만들어 주고 이 정공을 통해 전자를 이동시킴으로써 전류를 흐르도록 하는 것이지요. 즉 이름 그대로 양의 전하를 가지는 정공이 캐리어 역할을 하기 때문에 Positive-type semiconductor라고 부르는 것이시지요.

P형 반도체를 생성하기 위해선 진성 반도체 실리콘(14족 원소)들에 최외각 전자가 3개인 불순물들 (붕소, 알루미늄등 13족 원소)를 넣어주면 됩니다. 최외각이 4개인 원소와 3개인 원소가 섞이기 때문에 전체적으로는 평균적으로는 4개의 최외각 전자를 가지나, 일부가 3개로 정공이 하나씩 포함되어 있는 P형 반도체가 되는 것입니다.  이때 넣어주는 불순물을 억셉터 (Acceptor)라 하고, 이로 인해 생긴 준위를 Acceptor level이라 합니다.

p-type 반도체의 형태

 P형 반도체의 이동 원리를 간단히 설명하면 아래와 같습니다. 정공이 있는 P-형반도체에 전위차를 가해 에너지를 넣어주게 되면, 전자는 비어있는 옆에 있는 정공으로 들어가게 되고, 이동한 전자의 빈자리는 새로운 정공을 생성하게 됩니다. 정공의 관점에서 보면 마치 정공이 +에서 -로 이동하는 것으로 보이게 되고, 정공, 홀(hole)이 전류의 방향인 +에서 -로 이동하는 것으로 보이게 됩니다.

P형 반도체의 이동 원리

3.  N-형 반도체, (N-type semiconductor)

 N형 반도체는 주요 전자 캐리어로 자유전자(electron)을 사용하는 반도체입니다. 불순물을 첨가하여 전자가 더 많아지도록 만들어 주고 이 전자를 통해 전류를 흐르도록 하는 것이지요. 즉 이름 그대로 음의 전하를 가지는 전자이 캐리어 역할을 하기 때문에 Negative-type semiconductor라고 부르게 됩니다.

 P형 반도체를 생성하기 위해선 진성 반도체 실리콘(14족 원소)들에 최외각 전자가 5개인 불순물들 (인, 비소등 15족 원소)를 넣어주면 됩니다. 최외각이 4개인 원소와 5개인 원소가 섞이기 때문에 전체적으로는 평균적으로는 4개의 최외각 전자를 가지나, 일부가 5개로 전자이 하나씩 포함되어 있는 N형 반도체가 되는 것입니다. 이때 넣어주는 불순물을 도너(donor)라 하고, 이로 인해 생긴 준위를 donor level이라 합니다.

N-type 반도체의 형태

 

N형 반도체의 이동 원리를 간단히 설명하면 아래와 같습니다. 전자가 있는 N-형반도체에 전위차를 가해 에너지를 넣어주게 되면, 전자는 전위를 따라 이동하게 되고 이러한 전자의 이동이 전류의 흐름을 만들어 주게 됩니다.

N형 반도체의 이동 원리

 이렇게 반도체의 기본 분류인 진성 반도체 (I-형 반도체) P형반도체, 그리고 N형 반도체에 대해서 알아보았습니다. 앞으로 알아보게될 반도체 소자는 이 3가지 반도체를 어떠한 모양으로 결합하느냐에 따라 그 종류 및 특성이 나누어지게 됩니다. 하지만 기본적인 반도체의 분류에 대해서 이해하셨다면, 소자의 원리 이해 또한 어렵지 않으니, 위 개념을 잘 기억해주시고 소자에 대해 알아보도록 하겠습니다.