P형 반도체, N형 반도체란 무엇일까?

 

P형 반도체, N형 반도체

 P형 반도체, N형 반도체라는 것은 반도체에 대해 공부를 하시는 분 들이거나 전자공학을 공부하신 분들이라면 많이 들어보셨을 것입니다.

 

 P형 반도체와 N형 반도체는 모두 불순물을 첨가하는 도핑을 거쳐서 만들어지게 되며 비고유 반도체라고 부르고 있습니다.

 

앞에서 간단히 말씀드린 것처럼 반도체는 불순물을 첨가하면서 반도체의 특성을 바꿀 수 있는 특징을 가지고 있습니다. 이렇게 반도체에 불순물을 첨가하는 과정을 우리는 도핑이라고 말하며, 첨가하는 불순물은 도펀트라는 이름으로 부르고 있습니다.

 

 

 불순물인 도펀트를 실리콘(Si)에 도핑하여 P형 반도체나 N형 반도체를 만들게 되는 것이지요. 만약 반도체에 많은 양의 불순물을 첨가하게 될 경우 불순물을 첨가하지 않았을 때와 비교해서 전도도가 10억 배 이상 증가하게 되는 현상을 볼 수 있습니다.

 

 바로 도펀트를 첨가할 경우 전도도가 증가하게 되는 이러한 특성을 가지고 있기 때문에 집적 회로를 만들 때 금속 대신 불순물인 도펀트가 많이 첨가된 다결정 실리콘(Si)을 주로 사용하고 있습니다.

 

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고유 반도체

 도핑이 되어 있지 않은 고유 반도체에 대해 먼저 알아보는 시간을 가져 보겠습니다.

 

 고유 반도체라고 하는 것은 반도체의 전기적인 성질에 거의 영향을 미치지 않는 수준으로 불순물이 아주 적게 들어 있는 순수한 반도체를 이야기합니다.

 

 이런 고유 반도체의 경우에는 열이나 빛 에너지에 의해 들떠서 생긴 전자와 홀만이 존재하고 있는데, 만약 고유반도체에 열이나 빛이 가해지면 가전자대에서 전자가 튀어나와서 전도띠로 이동하게 됩니다.

 

 따라서 고유반도체에서는 전자와 홀의 수가 같은 상태입니다.

 

 

 전자와 홀은 전기장에서 서로 반대 방향으로 이동하지만, 그것들이 만들어 내는 전류의 방향은 같은데 전류의 방향이 같은 이유는 전자와 홀이 가지고 있는 전하가 서로 다르기 때문입니다.

 운반자의 농도 변화에 대해 살펴보면, 운반자의 농도는 온도에 따라서 크게 변하게 됩니다. 낮은 온도에서는 원자 띠가 가득 차게 되면서 절연체 상태가 되고, 그와 반대로 높은 온도에서는 운반자의 숫자가 늘어나게 되면서 반도체의 전기 전도도가 증가하게 됩니다.

 

 이는 금속과는 다른 경향을 보이는 것입니다. 금속의 경우는 온도가 높아지게 되면 열전도도가 증가하지만 전기 전도도는 반대로 낮아지게 되는 것을 볼 수 있는데, 이는 온도가 높아졌을 때 원자들 사이의 격자 진동이 증가하게 되면서 전자들의 이동 경로를 방해하기 때문에 전기전도도는 낮아지는 것이라고 볼 수 있습니다.

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비 고유 반도체와 P형 N형 도핑

흔히 비 고유 반도체는 운반자의 개수와 종류를 바꾸기 위해 실리콘(Si)에 불순물을 첨가한 반도체를 말합니다. 그리고 실리콘(Si)에 첨가한 불순물에 따라 N형과 P형으로 나뉘게 됩니다.

 

 앞에서 봤던 고유반도체는 아무것도 첨가하지 않은 반도체였다는 것과 다른 점이 불순물을 첨가했다는 것입니다.

 일단 실리콘(Si)에 N형이나 P형을 도핑하여 비 고유 반도체를 만들게 되는데, N형 도핑을 하는 목적은 운반자 역할에 필요한 전자를 많이 만드는 것입니다.

 

 실리콘의 경우 원자가 전자 4개를 가지고 있습니다. 이 4개의 전자를 가지고 있는 원자는 주변에 있는 다른 실리콘 원자 4개와 서로 공유결합을 이룬 상태로 있습니다.

 

 만약 이 공유 결합이 되어있는 실리콘 원자에 전자가 5개인 5가 원자가 들어가게 된다면, 결합하지 않은 하나의 전자를 가지게 될 것입니다.

 

 

 결합하지 않은 여분의 전자는 결합이 되지 않았기 때문에 쉽게 전도띠로 올라갈 수 있는 상태가 됩니다. 이런 여분의 전자는 상온 상태에서 사실상 전부 들떠 전도띠로 올라가게 되는 것입니다.

 

전자가 들뜨는 것은 따로 홀을 만들지 않기 때문에 N형 도핑을 한 물질에서는 전자가 홀보다 훨씬 많게 되는 것입니다.

 

 이런 경우 전자가 다수 운반자가 되고, 홀은 소수 운반자가 됩니다. 전자를 5개 가진 원자는 공유 결합을 한 뒤 여분의 전자를 내놓기 때문에 우리는 이를 donor 원자라고 부르고 있습니다.

 

 앞에서 살펴본 N형 도핑은 전자를 많이 만들기 위한 것이 목적이었다면, N형 도핑과 반대로 실리콘(Si)에 P형 도핑을 하는 것은 전자가 아닌 홀을 많이 만들기 위해서입니다.

 

실리콘(Si) 결정 구조에 3가인 원자를 넣게 되면 실리콘이 가지고 있는 공유결합 4개 중에 전자가 하나 부족하게 되는 것입니다. 그렇게 되면 부족한 결합을 완성하기 위해 주변 원자의 공유결합으로부터 하나의 전자를 얻어오게 되는데 이러한 도펀트를 우리는 acceptor라고 부릅니다.

 

 

 이 도펀트 원자가 전자를 하나 받게 되면 주변의 원자가 가진 공유결합에서는 전자가 하나 부족해지는 현상이 발생되면서 그곳에 홀이 생기게 되는 것입니다.

 

 각 홀은 주변의 음전하 도펀트 이온과 연결되면서 반도체 전체로 보았을 때는 중성을 유지합니다. 하지만 홀이 격자구조를 돌아다니게 되면 홀 위치의 양성자가 노출되기 때문에 더 이상 전자로 상쇄되지 않고 양전하 같은 성질을 띠게 됩니다.

 

 만약 acceptor 원자가 많이 추가되면, 홀이 열로 인해 들뜬 전자보다 훨씬 많아지게 되면서 P형 물질에서는 홀이 다수 운반자가 되고, 반대로 전자는 소수 운반자가 되는 것입니다.

출처:진짜 하루만에 이해하는 반도체 산업

출처: 진짜 하루만에 이해하는 반도체 산업

 

 P형 반도체와 N형 반도체에 대해 간단히 알아보았습니다. 다음에 기회가 된다면 P형 반도체와 N형 반도체를 이용한 PN Junction(PN 접합)까지 알아보는 시간을 가져 보겠습니다.

 

 

PN 정션 (PN Junction)과 제너 다이오드 (Zener diode)에 대해 알아보자