불순물 반도체

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 반도체의 전기 전도
- 2.1. 반도체 도핑
- 2.2. 주개와 받개
3. n형 및 p형 반도체
- 3.1. n형 반도체
- 3.2. p형 반도체
4. 외인성 반도체의 성질
5. 외인성 반도체의 활용
참조

1. 개요

불순물 반도체는 반도체의 전기 전도도를 향상시키기 위해 불순물을 첨가하여 만든 반도체이다. 순수한 반도체는 전자를 자유롭게 이동시킬 수 있는 전도 전자가 부족하여 전기가 잘 통하지 않지만, 불순물을 첨가하면 전하 운반자의 농도를 조절하여 전도성을 높일 수 있다. 불순물은 반도체에 주개 또는 받개 역할을 하며, 주개는 전자를 제공하여 n형 반도체를, 받개는 전자를 받아들여 p형 반도체를 만든다. 이러한 n형 및 p형 반도체는 다이오드, 트랜지스터, 레이저, 태양 전지 등 다양한 전자 부품에 활용된다.

더 읽어볼만한 페이지

컴퓨터에 관한 - N형 반도체
N형 반도체는 전자를 주된 전하 운반체로 사용하는 반도체이다.
컴퓨터에 관한 - CMOS
CMOS는 상보적 금속 산화막 반도체의 약자로, 저전력 소비를 특징으로 하며, P형과 N형 MOSFET을 결합하여 논리 게이트를 구현하는 디지털 회로 설계 방식 및 공정 계열이다.
반도체 - N형 반도체
N형 반도체는 전자를 주된 전하 운반체로 사용하는 반도체이다.
반도체 - 띠구조
띠구조는 결정 내 전자의 에너지 범위를 나타내는 개념으로, 에너지 띠와 띠틈으로 구성되며, 도체, 절연체, 반도체의 전기적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.
응집물질물리학 - 띠구조
띠구조는 결정 내 전자의 에너지 범위를 나타내는 개념으로, 에너지 띠와 띠틈으로 구성되며, 도체, 절연체, 반도체의 전기적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.
응집물질물리학 - 절연체
절연체는 전기 전도성을 막아 전기의 흐름을 제어하고 안전을 확보하며, 밴드 이론에 따라 큰 띠틈을 가져 외부 전압이 띠틈을 넘어서면 절연 파괴가 발생하며, 유리에서 세라믹, 고분자 복합 재료 등으로 제작되어 전선, 케이블 등 다양한 분야에 사용된다.

불순물 반도체
반도체 정보
종류	반도체
설명	반도체에 불순물을 첨가하여 전기적 특성을 제어하는 것 '도핑된 반도체'라고도 함
도핑	불순물을 추가하는 과정 n형 또는 p형 반도체 생성
n형 반도체
도핑 원소	비소, 인 과 같은 5가 원소
캐리어	전자
특징	페르미 준위가 전도대 근처에 위치 전자 농도가 정공 농도보다 높음
p형 반도체
도핑 원소	붕소, 갈륨 과 같은 3가 원소
캐리어	정공
특징	페르미 준위가 가전자대 근처에 위치 정공 농도가 전자 농도보다 높음
활용
응용 분야	다이오드, 트랜지스터 다양한 전자 회로 및 반도체 소자
관련 기술	반도체 공학 재료 과학
참고 자료
관련 문서	반도체 도핑 (반도체) 진성 반도체

2. 반도체의 전기 전도

고체 물질에서 전류가 흐르려면 원자에 구속되지 않고 자유롭게 움직일 수 있는 전하 운반자가 필요하다. 금속은 다수의 자유 전자를 가지고 있어 전기 전도도가 높다. 각 금속 원자는 외부 궤도 전자 중 하나를 방출하여 결정 전체를 이동하며 전류를 운반할 수 있는 전도 전자가 된다. 따라서 금속 내 전도 전자의 수는 원자의 수와 같다.

반도체에서 전기 전도는 결정 내 불순물 원자에 의해 제공되는 이동성 전하 운반자인 전자 또는 정공 때문에 발생한다. 불순물 반도체에서 결정 내 도핑 원자의 농도는 전하 운반자의 밀도를 크게 결정하며, 이는 전기 전도도뿐만 아니라 다른 여러 전기적 특성도 결정한다. 즉, 도핑을 통해 전도도를 조절할 수 있다.

2. 1. 반도체 도핑

반도체 도핑은 본질 반도체를 외인성 반도체로 변환하는 과정이다. 도핑 과정에서는 불순물 원자를 본질 반도체에 도입한다. 불순물 원자는 본질 반도체 원자와 다른 원소의 원자이다. 불순물 원자는 본질 반도체에 대해 주개 또는 받개 역할을 하여 반도체의 전자와 정공 농도를 변화시킨다. 불순물 원자는 본질 반도체에 미치는 영향에 따라 주개 또는 받개 원자로 분류된다.^[1]

주개 불순물 원자는 본질 반도체 격자에서 대체하는 원자보다 원자가전자가 더 많다. 주개 불순물은 추가적인 원자가 전자를 반도체의 전도띠에 "기증"하여 본질 반도체에 과잉 전자를 제공한다. 과잉 전자는 반도체의 전자 캐리어 농도(n₀)를 증가시켜 n형 반도체로 만든다.^[1]

받개 불순물 원자는 본질 반도체 격자에서 대체하는 원자보다 원자가 전자가 적다. 받개 원자는 반도체의 원자가띠에서 전자를 "받아들인다". 이것은 본질 반도체에 과잉 정공을 제공한다. 과잉 정공은 반도체의 정공 캐리어 농도(p₀)를 증가시켜 p형 반도체를 생성한다.^[1]

반도체와 도펀트 원자는 주기율표에서 속하는 족으로 정의된다. 반도체의 족 정의는 원자가 전자의 수와 도펀트 원자가 반도체의 주개 또는 받개로 작용하는지 여부를 결정한다.^[1]

IV족 반도체는 V족 원자를 주개로, III족 원자를 받개로 사용한다.^[1]

III-V족 반도체인 화합물 반도체는 VI족 원자를 주개로, II족 원자를 받개로 사용한다. III-V족 반도체는 IV족 원자를 주개 또는 받개로 사용할 수도 있다. IV족 원자가 반도체 격자에서 III족 원소를 대체할 때, IV족 원자는 주개 역할을 한다. 반대로, IV족 원자가 V족 원소를 대체할 때, IV족 원자는 받개 역할을 한다. IV족 원자는 주개와 받개 모두로 작용할 수 있으므로 양쪽성 불순물로 알려져 있다.^[1]

	본질 반도체	주개 원자 (n형 반도체)	받개 원자 (p형 반도체)
IV족 반도체	실리콘, 게르마늄	인, 비소, 안티몬	붕소, 알루미늄, 갈륨
III-V족 반도체	인화 알루미늄, 비화알루미늄, 비화갈륨, 질화갈륨	셀레늄, 텔루륨, 실리콘, 게르마늄	베릴륨, 아연, 카드뮴, 실리콘, 게르마늄

2. 2. 주개와 받개

주개(donor) 불순물은 반도체 원자보다 원자가전자가 많아 전자를 제공하며, n형 반도체를 만든다. 받개(acceptor) 불순물은 반도체 원자보다 원자가 전자가 적어 정공을 생성하며, p형 반도체를 만든다.^[1]

4족 반도체(실리콘, 게르마늄)는 5족 원소(인, 비소, 안티몬)를 주개로, 3족 원소(붕소, 알루미늄, 갈륨)를 받개로 사용한다. 화합물 반도체(3-5족 반도체)는 6족 원소(셀레늄, 텔루륨)를 주개로, 2족 원소(베릴륨, 아연, 카드뮴)를 받개로 사용한다. 4족 원소는 양쪽성 불순물로 작용할 수 있다.^[1]

반도체 종류에 따른 주개와 받개 원자^[1]
반도체 종류	본질 반도체	주개 원자 (n형 반도체)	받개 원자 (p형 반도체)
4족 반도체	실리콘, 게르마늄	인, 비소, 안티몬	붕소, 알루미늄, 갈륨
3-5족 반도체	인화 알루미늄, 비소화 알루미늄, 비화갈륨, 질화 갈륨	셀레늄, 텔루륨, 실리콘, 게르마늄	베릴륨, 아연, 카드뮴, 실리콘, 게르마늄

3. n형 및 p형 반도체

반도체 도핑은 본질 반도체를 외인성 반도체로 변환하는 과정이다. 도핑 과정에서 불순물 원자가 본질 반도체에 도입되는데, 이 불순물 원자는 본질 반도체 원자와 다른 원소의 원자이다. 불순물 원자는 본질 반도체에 대해 주개 또는 받개 역할을 하여 반도체의 전자와 정공 농도를 변화시킨다.

반도체와 도펀트 원자는 주기율표에서 속하는 족으로 정의된다. IV족 반도체는 V족 원자를 주개로, III족 원자를 받개로 사용한다. III-V족 반도체는 VI족 원자를 주개로, II족 원자를 받개로 사용한다. III-V족 반도체는 IV족 원자를 주개 또는 받개로 사용할 수도 있는데, IV족 원자가 III족 원소를 대체하면 주개, V족 원소를 대체하면 받개 역할을 한다. 이처럼 IV족 원자는 주개와 받개 모두로 작용할 수 있으므로 양쪽성 불순물로 알려져 있다.

3. 1. n형 반도체

n형 반도체는 제조 과정에서 본질 반도체에 전자 공여 원소를 도핑하여 만들어진다. "n형"이라는 이름은 전자의 음전하에서 유래했다. n형 반도체에서는 전자가 다수 캐리어이고, 정공은 소수 캐리어이다. n형 실리콘의 일반적인 도펀트는 인 또는 비소이다. n형 반도체에서 페르미 준위는 본질 반도체보다 높으며, 전도대에 원자가대보다 더 가깝다.

주개 불순물 원자는 본질 반도체 격자에서 대체하는 원자보다 더 많은 원자가전자를 가지고 있다. 주개 불순물은 추가적인 원자가 전자를 반도체의 전도대에 "기증"하여 본질 반도체에 과잉 전자를 제공한다. 과잉 전자는 반도체의 전자 캐리어 농도를 증가시켜 n형으로 만든다.

	본질 반도체	주개 원자 (n형 반도체)	받개 원자 (p형 반도체)
IV족 반도체	실리콘, 게르마늄	인, 비소, 안티몬	붕소, 알루미늄, 갈륨
III-V족 반도체	인화알루미늄, 비화알루미늄, 비화갈륨, 질화갈륨	셀레늄, 텔루륨, 실리콘, 게르마늄	베릴륨, 아연, 카드뮴, 실리콘, 게르마늄

3. 2. p형 반도체

P형 반도체는 본질 반도체에 전자 받개 원소를 도핑하여 만들어진다. 'P형'이라는 용어는 정공의 양(+)전하를 나타낸다. N형 반도체와 달리 P형 반도체는 전자보다 정공의 농도가 더 높다. P형 반도체에서 정공은 다수 캐리어이고 전자는 소수 캐리어이다. 실리콘의 일반적인 P형 도펀트는 붕소 또는 갈륨이다. P형 반도체의 페르미 준위는 본질 반도체보다 낮고 전도대보다 원자가띠에 더 가깝다.

받개 불순물 원자는 본질 반도체 격자에서 대체하는 원자보다 원자가 전자가 적다. 받개 원자는 반도체의 원자가띠에서 전자를 "받아들인다". 이것은 본질 반도체에 과잉 정공을 제공한다. 과잉 정공은 반도체의 정공 캐리어 농도를 증가시켜 P형 반도체를 생성한다.

P형 반도체의 예시: 붕소, 알루미늄, 갈륨 등

4. 외인성 반도체의 성질

금속과 달리, 대부분의 반도체 결정을 구성하는 원자는 전도를 담당하는 전자를 제공하지 않는다. 반도체에서 전기 전도는 결정 내 불순물 또는 도펀트 원자에 의해 제공되는 이동성 전하 운반자인 전자 또는 홀 때문인데, 비고유 반도체에서 결정 내 도핑 원자의 농도는 전하 운반자의 밀도를 크게 결정하며, 이는 전기 전도도뿐만 아니라 많은 다른 전기적 특성을 결정한다. 이것이 반도체의 다양성의 핵심이며, 도핑을 통해 전도도를 여러 차수만큼 조절할 수 있다.

반도체 도핑(Semiconductor doping)은 본질 반도체를 외인성 반도체로 변환하는 과정이다. 도핑 과정 동안 불순물 원자가 본질 반도체에 도입되는데, 불순물 원자는 본질 반도체 원자와 다른 원소의 원자이다. 불순물 원자는 본질 반도체에 대해 주개 또는 받개 역할을 하여 반도체의 전자와 정공 농도를 변화시키며, 본질 반도체에 미치는 영향에 따라 주개 또는 받개 원자로 분류된다.

주개 불순물 원자는 본질 반도체 격자에서 대체하는 원자보다 더 많은 원자가전자를 가지고 있다. 주개 불순물은 추가적인 원자가 전자를 반도체의 전도대에 "기증"하여 본질 반도체에 과잉 전자를 제공한다. 과잉 전자는 반도체의 전자 캐리어 농도(n₀)를 증가시켜 n형으로 만든다.

받개 불순물 원자는 본질 반도체 격자에서 대체하는 원자보다 원자가 전자가 적다. 받개 원자는 반도체의 원자가대에서 전자를 "받아들입니다". 이것은 본질 반도체에 과잉 정공을 제공한다. 과잉 정공은 반도체의 정공 캐리어 농도(p₀)를 증가시켜 p형 반도체를 생성한다.

반도체와 도펀트 원자는 주기율표에서 속하는 족으로 정의된다. 반도체의 족 정의는 원자가 전자의 수와 도펀트 원자가 반도체의 주개 또는 받개로 작용하는지 여부를 결정한다.

IV족 반도체는 V족 원자를 주개로, III족 원자를 받개로 사용한다.

III-V족 반도체인 화합물 반도체는 VI족 원자를 주개로, II족 원자를 받개로 사용한다. III-V족 반도체는 IV족 원자를 주개 또는 받개로 사용할 수도 있다. IV족 원자가 반도체 격자에서 III족 원소를 대체할 때, IV족 원자는 주개 역할을 한다. 반대로, IV족 원자가 V족 원소를 대체할 때, IV족 원자는 받개 역할을 한다. IV족 원자는 주개와 받개 모두로 작용할 수 있으므로 양쪽성 불순물로 알려져 있다.

	본질 반도체	주개 원자 (n형 반도체)	받개 원자 (p형 반도체)
IV족 반도체	실리콘, 게르마늄	인, 비소, 안티몬	붕소, 알루미늄, 갈륨
III-V족 반도체	인화알루미늄, 비화알루미늄, 비화갈륨, 질화갈륨	셀레늄, 텔루륨, 실리콘, 게르마늄	베릴륨, 아연, 카드뮴, 실리콘, 게르마늄

4. 1. 전하 중성 조건

전도대의 전자 농도를 , 원자가띠의 정공 농도를 , 이온화된 도너 농도를 , 이온화된 억셉터 농도를 라 하면, 다음과 같은 전하 중성 조건이 성립한다.

:n + N_A = p + N_D

4. 2. 캐리어 농도

도핑된 불순물이 모두 이온화되어 있다고 가정할 때, 비퇴화 반도체의 전도대 전자 농도

n

, 가전자대 정공 농도

p

, 진성 캐리어 밀도

n_i

사이에는 다음 관계가 성립한다.^[2]

:

np=n_i^2

이와 전하 중성 조건으로부터 캐리어 농도는 다음과 같이 주어진다.

:

n=\frac{N_D-N_A}{2}+\sqrt{\left(\frac{N_D-N_A}{2}\right)^2+n_i^2}

:

p=\frac{N_A-N_D}{2}+\sqrt{\left(\frac{N_A-N_D}{2}\right)^2+n_i^2}

예를 들어, 억셉터 농도

N_A

와 진성 캐리어 밀도

n_i

가 무시할 수 있을 때의 전자 농도는

n = N_D

가 된다. 마찬가지로, 도너 농도

N_D

와 진성 캐리어 밀도

n_i

가 무시할 수 있을 때의 정공 농도는

p = N_A

가 된다.

4. 3. 페르미 준위

비퇴화 반도체에서 페르미 준위()는 진성 반도체의 페르미 준위()를 기준으로, 전자 농도() 또는 정공 농도()에 따라 변화한다. 진성 반도체의 페르미 준위 는 밴드갭의 거의 중앙에 위치한다.

n형 반도체: 도너를 증가시켜 전자 농도 를 증가시키면 페르미 준위는 상승하여 전도대에 가까워진다.
p형 반도체: 억셉터를 증가시켜 정공 농도 를 증가시키면 페르미 준위는 하강하여 원자가띠에 가까워진다.

페르미 에너지 는, 본질 반도체의 페르미 준위를 로 하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:

E_F=E_i+kT\ln\left(\frac{n}{n_i}\right)=E_i-kT\ln\left(\frac{p}{n_i}\right)

5. 외인성 반도체의 활용

외인성 반도체는 다이오드, 트랜지스터 외에도 레이저, 태양 전지, 광검출기, 발광 다이오드(LED), 싸이리스터 등 다양한 전자 소자에 활용된다.

5. 1. 다이오드

다이오드는 p형 및 n형 반도체를 접합하여 만든 소자로, 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 정류 작용을 한다. 현재 대부분의 반도체 다이오드는 도핑된 실리콘 또는 게르마늄을 사용한다.^[1]

5. 2. 트랜지스터

트랜지스터는 전류 스위칭을 가능하게 하는 장치로, 외인성 반도체를 사용한다. 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)는 전류를 증폭하는 트랜지스터의 한 유형이다. 가장 일반적인 BJT는 NPN형과 PNP형이다. NPN 트랜지스터는 p형 반도체를 끼운 두 층의 n형 반도체를 가지고 있으며, PNP 트랜지스터는 n형 반도체를 끼운 두 층의 p형 반도체를 가지고 있다.

전계 효과 트랜지스터(FET)는 외인성 반도체를 사용하여 전류를 증폭하는 또 다른 유형의 트랜지스터이다. BJT와 달리, N 채널 또는 P 채널과 같이 단일 캐리어 유형으로 동작하기 때문에 '''단극성'''이라고 한다. FET는 접합 게이트 FET(JFET)(3단자 반도체)와 절연 게이트 FET(IGFET)(4단자 반도체)의 두 가지 계열로 나뉜다.

5. 3. 기타 응용

외인성 반도체는 여러 일반적인 전기 장치의 구성 요소이다.

레이저
태양 전지: 한국은 태양광 발전을 신재생 에너지원으로 적극 육성하고 있으며, 태양 전지 기술 개발에 많은 투자를 하고 있다.
광검출기
발광 다이오드(LED): 한국 기업들은 LED 기술 개발에 선도적인 역할을 하고 있으며, 고효율, 친환경 LED 조명 시장을 주도하고 있다.
싸이리스터

참조

_[1] 용어 extrinsic semiconductor
_[2] 서적 半導体デバイスの基礎丸善出版

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com