n형 반도체와 p형 반도체란?

반도체 물질은 진성 상태에서 거의 전류가 흐르지 않으며 그 값도 거의 0에 가깝다. 이것은 전도대 내의 자유전자와 가전자대의 정공의 수가 한정되어 있기 때문이다. 진성 실리콘(혹은 게르마늄)의 전도성을 증가시키기 위해서는 자유전자와 정공의 수가 증가 되도록 실리콘(혹은 게르마늄)의 성질을 바꿔야만 한다. 그래야만 전자 소자에 유용하게 사용될 수 있다. 이것은 진성 물질에 불순물을 첨가함으로써 가능하다. n형과 p형인 두 가지 형의 불순물 반도체는 모든 형태의 전자 소자를 구성하는 핵심 요소가 된다.

▶ 도핑

게르마늄과 실리콘의 전도성은 진성(순수) 반도체 물질에 불순물을 첨가함으로써 크게 증가시킬 수 있다. 이와 같이 순수 반도체에 불순물을 넣어 전자 혹은 정공의 수를 증가시키는 과정을 도핑(doping)이라고 한다. 불순물 n형과 p형 두 가지가 있다.

▶ n형 반도체

진성 실리콘에서 전도대의 전자의 수를 늘리기위해 5가(pentavalent)의 불순물 원자를 첨가한다. 이 불순물은 비소(As), 인(P), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb)과 같이 다섯 개의 가전자를 가진 원자들이다. 안티몬을 예로 들면, 불순물 원자가 네 개의 인접 실리콘 원자와 공유 결합을 형성하고 있다. 안티몬 원자의 가전자들 중 네 개의 가전자는 실리콘 원자와 공유결합을 이루게 되고 결과적으로 한 개의 잉여전자가 남는다. 이 잉여전자는 어떤 원자에도 구속되지 않기 때문에 전도 전자가 된다. 이와 같이 5가 원자가 한 개의 전자를 제공하기 때문에 5가 원자를 흔히 도너 원자(donor atom)라고 한다. 전도 전자의 수는 실리콘에 첨가하는 불순물 원자의 수에 따라 조절할 수 있다. 이러한 도핑 과정에 의해 만들어진 전도 전자는 가전자대를 전부 채우고도 남는 전자이므로 가전자대에 정공을 남기지 않는다.

→ 다수 반송자와 소수 반송자

대다수 전류 반송자(carrier)가 전자이므로 5가원자들로 도핑된 실리콘(혹은 게르마늄)은 n형 반도체 물질이 된다. (n은 전자의 음 전하를 나타냄.) n형 물질에서 이 전자들을 다수 반송자(majority carrier)라고 한다. n형 물질인 경우 전류 반송자의 대부분이 전자임에도 불구하고 열적으로 전자~정공쌍이 생성될 때 소수의 정공도 같이 생긴다. 이 정공들은 5가의 불순물 원자를 첨가하여 만든 것이 아니며, n형 물질에서 이런 정공들을 소수 반송자(minority carrier)라고 한다.

▶ p형 반도체

진성 실리콘 내의 정공 수를 늘리기 위해 3가(trivalent)의 불순물 원자를 첨가한다. 이들 3가의 불순물 원자는 세 개의 가전자를 갖는 알루미늄(Al), 붕소(B), 인듐(ln), 갈륨(Ga) 등을 예로 들 수 있다. 예를 들어 붕소(B)의 경우 각각의 3가 원자는 네 개의 인접 실리콘 원자와 공유결합을 이루며, 붕소(B) 원자의 세 개의 가전자 모두가 공유결합에 참여한다. 인접한  네 개의 실리콘과 붕소가 공유결합을 위해서는 네 개의 가전자가 필요하기 때문에 3가의 불순물을 첨가하면 결과적으로 정공이 한 개 발생한다. 3가 원자는 전자 한 개를 끌어 당겨 빈 정공 한자를 채우려 하기 때문에 억셉터 원자(acceptor atom)라고도 한다. 정공의 수는 실리콘에 첨가되는 3가 불순물 원자 수에 의해 조절 가능하다. 이러한 도핑 과정에 의해 만들어지는 정공은 전도(자유)전자와 무관하게 발생한다. 

→ 다수 반송자와 소수 반송자

전류 반송자의 대부분이 정공이기 때문에 3가 원자로 도핑된 실리콘(또는 게르마늄)을 p형 반도체 물질이라고 한다. 전자가 빠져나간 빈자리가 원자에 진성 양(+) 전하를 남기기 때문에 정공을 양 전하로 생각할 수 있다. 정공은 p형 물질의 다수 반송자 이다. p형 물질의 전류 반송자의 다수가 정공이라 할 지라도 열적으로 전자~정공쌍이 발생하면 소수의 자유전자들이 생성된다. 이들 자유전자는 3가의 불순물을 첨가해서 만든 것이 아니며, p형 물질에서 이런 자유전자를 소수 반송자라고 한다.

그럼 이만~~~