반도체 기초 (3) Extrinsic Semiconductor (도핑, P형 반도체, N형 반도체)

이 자료는 KMOOC 신창환 교수님의 강의 [반도 채 몰라도 들을 수 있는 반도체 소자 이야기]를 바탕으로 정리되었습니다.

 

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2022.05.15 - [Semiconductor/개념] - 반도체 기초 (1) 실리콘 원소와 Charge Carrier

2022.05.19 - [Semiconductor/개념] - 반도체 기초 (2) 실리콘 재료와 에너지 밴드

 

 

 

 

Instrinsic Semiconductor vs Extrinsic Semiconductor

Instrinsic semiconductor는 순수 반도체, 진성 반도체, 고유 반도체라고도 하는데, 4족 원소로 이루어진 반도체를 의미한다. Extrinsic semiconductor는 불순물 반도체, 비고유 반도체라고도 하며, 순수 반도체에 불순물 원소(주로 3족이나 5족 원소)를 추가(도핑, doping)하여 만들어 진다.

 

순수 반도체의 대표적인 예로는 실리콘이 있다. 실리콘 반도체는 열이나 빛에 의해 전자가 에너지를 얻을 경우 전자가 conduction band로 이동하면서 자유 전자와 정공이 생성된다. 이때 생성된 자유 전자와 정공의 개수는 서로 동일하다. 자유 전자와 정공은 charge carrier가 되어 전류를 흐르도록 한다. 실리콘 내부의 charge carrier(자유 전자와 정공)의 농도는 외부에서 얻는 에너지(열 혹은 빛 등)에 의해 결정된다. 외부 에너지를 많이 받을수록 더 많은 carrier가 생기게 되고, 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있다.

Fig 1. 불순물 반도체 [1]

 

불순물 반도체는 실리콘과 같은 순수 반도체에 불순물 원소를 첨가(doping, 도핑)한 것이다. 일반적으로 불순물은 3족 원소 혹은 5족 원소를 첨가한다. Fig 1. 은 불순물 반도체를 나타낸 그림으로, 왼쪽 불순물 반도체는 5족 원소인 Pb를, 오른쪽 불순물 반도체는 3족 원소인 B를 도핑한 것이다.

 

5족 원소를 도핑한 불순물 반도체(왼쪽)는 n-type 반도체라고 하는데, 5족 원소의 경우 최외각 전자의 수가 5개이기에 1개의 전자가 공유 결합에 참여하지 못한다. 이 전자는 어떠한 결합에도 참여하지 않기에 쉽게 자유 전자가 될 수 있다. 따라서 5족 원소 1개를 도핑할 경우 1개의 자유 전자가 추가되는 것과 같은 효과를 준다. 이때 도핑된 5족 원소는 자유 전자를 제공한다는 의미로 donor라고 부른다.

 

3족 원소를 도핑한 불순물 반도체(오른쪽)는 p-type 반도체라고 하는데, 3족 원소의 경우 최외각 전자의 수가 3개이기에 3개의 공유 결합만을 형성한다. 전자 하나가 부족한 것이기에 이 공간을 정공으로 간주할 수 있다. 따라서 3족 원소 1개를 도핑할 경우 1개의 정공이 추가되는 것과 같은 효과를 준다. 이때 도핑된 3족 원소는 정공을 제공한다는 의미로 acceptor라고 부른다.

 

불순물 반도체는 반도체 내의 charge carrier의 수를 조절하거나, charge carrier의 종류(자유 전자인가 정공인가)를 조절하기 위해 사용된다. 순수 반도체의 경우 온도에 의해서만 charge carrier의 수를 조절할 수 있고, 생성되는 자유 전자의 수는 항상 정공과 같다는 한계가 있다. 그에 비해 불순물 반도체는 필요한 만큼 불순물을 도핑하면 되기에 반도체 공정에 필수이다.

 

 

 

불순물 반도체의 Energy Diagram 분석

순수 반도체에 불순물을 도핑할 경우, 새로운 에너지 준위가 생성된다. Fig 2. 는 불순물 반도체의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 것이다. Fig 2. 의 윗 부분은 n-type 반도체, 아랫 부분은 p-type 반도체를 나타낸 것이다. 

 

FIg 2. 불순물 반도체의 에너지 밴드 다이어그램 분석 [2]

 

n-type 반도체의 경우 공유 결합에 참여하지 않는 여분의 전자가 생긴다. 이 전자는 Ec (conduction band의 최저 에너지 준위) 가까이에 위치한 에너지 상태 (=Ed) 를 가진다. 온도가 올라갈수록 이 전자들은 쉽게 conduction band로 이동하여 자유 전자가 된다.

 

p-type 반도체의 경우 공유 결합에 참여하지 않는 여분의 정공이 생긴다. 이 정공은 Ev (valence band의 최저 에너지 준위) 가까이에 위치한 에너지 상태 (=Ea) 를 가진다. 온도가 올라갈수록 valence band에 위치한 전자들이 쉽게 Ea 에너지 준위로 이동할 수 있다. 따라서 valence band에 정공이 생긴다.

 

상온 (300K) 이하의 온도에서는 불순물 반도체의 대부분의 charge carriers는 불순물 도핑에 의해 생긴다. 상온 정도의 낮은 온도에서는 순수 반도체의 전자가 자유 전자가 되는 경우보다는 도핑에 의한 charge carriers의 생성이 더욱 큰 영향을 차지하기 때문이다. 하지만 고온으로 올라갈수록 더욱 많은 순수 반도체의 전자가 자유 전자가 되기에 불순물 도핑에의한 charge carriers의 비율은 줄어든다.

 

 

 

Reference

[1] https://www.electrical4u.com/extrinsic-semiconductors/

[2] https://www.flickr.com/photos/mitopencourseware/3362512455