【전자회로 기본Ⅰ】 5강 - n형과 p형 반도체

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지난 4강 반도체의 성질에서는 도체와 절연체의 중간 성질을 띄는 반도체에 대하여 학습하였음

반도체의 전기적 성질을 인위적으로 조절해 다양한 역할을 하는 전기소자를 제작할 수 있음

원자가띠와 전도띠 사이를 밴드 갭이라고 하는데, 밴드 갭 이상의 에너지를 받아 전자가 원자가띠에서 전도띠로 이동할 때 이동한 전도띠 안의 전자를 자유전자라고 하며, 원래 원자가띠에 있던 전자의 자리를 정공이라고 함

반도체는 외부의 에너지로부터 자유전자가 발생하고 이 것이 전도띠에서 자유롭게 이동하면서 자유전자전류가 생성됨

https://nate0707.tistory.com/102

【전자회로 기본Ⅰ】 4강 - 반도체의 성질

 

1. n형 반도체

 

- 진성 반도체

 

실리콘(Si) 원자는 서로 이웃하는 전자끼리 공유결합해 8개의 최외각 전자를 가진 안정된 상태를 유지함

이런 순수한 실리콘에서는 원자핵에 결합되어 있는 전자가 움직일 수 없기 때문에, 실리콘 외부에서 전압을 걸어도 전류는 흐르지 않게 됨

이러한 반도체를 진성 반도체$(Intrinsic semiconductor)$라고 함

자유롭게 움직일 수 있는 자유전자가 없기 때문에 진성 반도체에서는 전류가 흐르지 않는 것임

 

- 도핑

 

이러한 순수한 반도체에 전류의 흐름을 만들기 위해서 저자나 정공의 수를 인위적으로 증가시키는 방법 중 하나가 도핑임

원자가띠에 3개 도는 5개의 전자가 있는 불순물을 첨가함으로써 전자나 정공의 수를 인위적으로 조절할 수 있음

 

이때 +3가 불순물이 첨가될 경우 p형 반도체가 되고

+5가 불순물이 첨가될 경우 n형 반도체가 됨

 

 

- n형 반도체

 

n형 반도체는 불순물로 +5가 원자를 첨가하여 만들어짐

+5가 원자의 예로는 인 P, 비소 As, 안티몬 Sb, 비스무트 Bi 등이 있음

 

+5가 원자의 5개 전자 중 4개는 진성 반도체의 4개 전자와 공유결합을 이룸

남은 1개의 전자는 잉여전자가 되고 이는 다른 어떤 원자에도 구속되지 않기 때문에 자유전자가 됨

+5가 원자의 경우 1개의 전자를 남기기 때문에 도너원자 $(Donor Atom)$라고 함

n형 반도체 구조

 

2. p형 반도체

 

- p형 반도체

 

p형 반도체는 불순물로 +3가 원자를 첨가하여 만들어짐

+5가 원자의 예로는 붕소 B, 알루미늄 Al, 갈륨 Ga, 인듐 In 등이 있음

 

- p형 반도체 구조

 

+3가 원자의 3개 전자와 진성 반도체의 4개 전자가 공유결합을 이루게 되면 최외각에 7개의 전자가 채워지므로 1개의 정공 형성

+3가 원자의 경우 1개의 전자가 부족하기 때문에 전자를 끌어당기는 현상으로 인해 억셉터 원자 $(Acceptor)$라고 함

 

p형 반도체 구조

 

3. 다수 반송자와 소수 반송자

 

- 다수 반송자

 

다수 반송자$(Majority Carries)$란 반도체에 전류가 흐를 때 대부분의 전류 흐름을 만들어 내는 잉여전자와 정공을 말함

 

n형 반도체의 경우 다수 반송자가 잉여전자

p형 반도체의 경우 다수 반송자가 정공

 

- 소수 반송자

 

소수 반송자$(Minority Carries)$란 반도체에서 전류를 운반하는 역할을 하는 캐리어 중 수가 작은 쪽을 말함

 

n형 반도체의 경우 소수 반송자가 정공

p형 반도체의 경우 소수 반송자가 전자

 

n형 물질에서는 전류를 발생시키는 대부분이 전도전자이기 때문에 전자가 다수 캐리어(major carrier)이다. 그러나 열에의해 전자-정공 쌍이 발생하여 소수의 정공도 발생하여 소수 캐리어(minority carrier)를 발생시킴 

p형 반도체에서 전류를 발생시키는 대부분이 정공이기 때문에 정공이 다수 캐리어이다. 하지만 열적으로 전자-정공 쌍이 발생하면 소수의 자유 전자들이 생성되는데 이는 소수 캐리어임