진성(고유,intrinsic) 반도체와 외부(외인성, extrinsic) 반도체에 대해 알아보자

전자회로 1과정에서 기초반도체 물리는 중요한 것들만 집고 넘어가겠다.

이 글은 기초 반도체 물리의 두번째 진도이다.

---

이전 진도

2022.01.22 - [전공(Major)/전자회로와 아날로그 회로설계] - 공유 결합(covalent bond), 정공(hole), 밴드갭 에너지(Bandgap Energy)- 전자회로 기초

공유 결합(covalent bond), 정공(hole), 밴드갭 에너지(Bandgap Energy)- 전자회로 기초

---

 

---

고유 반도체와 외부 반도체

(Intrinsic semiconductor and Extrinsic semiconductor)

---

 

고유 반도체(Intrinsic Semiconductor)

 

순수한 반도체는 고유반도체이며(또는 진성 반도체), 높은 저항(resistance)를 가짐

고유 반도체에서는 전자 농도(n)과 정공 농도(p)와 같다. 따라서 아래와 같이 표현이 가능하다.

 

식 1

 

 

외부 반도체(Extrinsic Semiconductor)

 

외부 반도체란 고유 반도체에 3족, 5족에 해당하는 불순물(인, 붕소 등)을 추가하는 것을 도핑(Doping)이라 부른다.

(참고 불순물을 영어로 하면 dopant)

 

최외각 전자가 4보다 큰 경우 N형, 4보다 작은 경우 P형 반도체가 된다.

 

1) N형 반도체(N-Type Semiconductor)

 

N형 반도체는 Phosphorus(P), Arsenic(As)과 같은 5개의 원자가전자를 가지고 있는 것을 말하며 실리콘(Si)에 5족 원소를 주입하게 되면 4개의 원자는 실리콘과 공유 결합(Covalent Bond)하고 다섯 번째 전자는 결속되지 않은 채 남아있게 된다. 결속되지 않은 다섯 번째 전자는 자유롭게 이동하며, 전하 캐리어로 동작한다.

 

그림 1. Phosphorus 도핑으로 이완된 전자

 

식 1과 같이 고유 반도체에서 전자와 정공의 농도는 같음을 알고 있다. N형 반도체도 동일하게 식 1처럼 적용이 가능하다.

ni는 고유 반도체 농도를 나타내므로 도핑의 정도에 무관함을 인지하자.

 

N형 반도체는 전자가 "다수 캐리어", 정공이 "소수 캐리어"이다.

(다수 캐리어 : Majority Carriers, 소수 캐리어 : Minority Carriers)

 

 

따라서 N형 반도체는 도너(Donor)라고도 불린다.

 

이를 공식화하면 아래와 같다.

 

식 2

 

식 2는 고유 반도체가 단위 cm^3 부피에 N_D 농도의 도너 원자로 도핑되었을 때의 유동 전하 밀도(Mobile charge density)이다.

아랫첨자 "D"는 Donor를 의미

 

2)P형 반도체(P-Type Semiconductor)

 

P형 반도체는 Boron(B), Aluminum(AI), Galium(Ga)와 같은 3개의 원자가전자를 가지고 있는 것을 말하며 실리콘(Si)에 3족 원소를 주입하게 되면 3개의 원자는 실리콘과 공유 결합(Covalent Bond)하고 세번째 결합은 정공을 포함하고 있고 정공을 받을 준비가 되어있다.

 

그림 2. Boron 도핑과 정공 형성

 

P형 반도체는 전자가 "소수 캐리어", 정공이 "다수 캐리어"이다.

 

P형 반도체는 다수 캐리어로서 정공을 공급하며, 억셉터(Acceptor)라고 불리며 고유 반도체가 단위 cm^3 부피에 N_A 농도의 억셉터 원자로 도핑되었을 때의 유동 전하 밀도(Mobile charge density)는 식 3과 같다.

 

식 3

---

전자회로 1 과정을 학습하셨습니다.

아래 링크를 통해 다음 진도와 전자회로 1의 모든 내용을 확인하실 수 있습니다.

2022.01.13 - [전공(Major)/전자회로 1 과정] - 전자회로 1 커리큘럼

전자회로 1 커리큘럼

---