외부 반도체 – 도핑된 반도체
반도체는 유기적 또는 무기적 물질로, 화학 구조, 온도, 조명 및 도핑물의 존재에 따라 그들의 전도성을 조절할 수 있습니다. 이러한 물질은 구리, 금 등의 금속과 유리와 같은 절연체 사이의 전기 전도성을 가지고 있으며, 이로 인해 ‘반도체(semiconductor)’라는 이름이 붙었습니다. 반도체의 특성은 전도대와 가전대 사이의 에너지 간격, 즉 밴드 갭에 의해 결정됩니다. 이 밴드 갭은 전자 상태가 금지된 에너지 범위로, 4eV 미만(약 1eV)입니다.
반도체의 유형
반도체는 전자적 특성에 기반하여 두 가지 기본 유형으로 분류됩니다:
내재 반도체(Intrinsic Semiconductors): 이들은 단일 원소(예: 실리콘, 게르마늄)로 만들어진 순수 반도체로, 의도적인 도핑이 없습니다. 내재 반도체는 가전대와 전도대에 특정 수의 전자를 가지며, 온도가 상승할 때 일부 전자가 충분한 에너지를 얻어 결합에서 벗어나 전도대에서 자유 전자가 됩니다.
외재 반도체(Extrinsic Semiconductors): 이들은 전자적 특성을 변경하기 위해 의도적으로 불순물로 도핑된 불순 반도체입니다. 외재 반도체는 두 가지 유형으로 더 세분화됩니다:
p형 반도체: p형 반도체에서는 보론과 같은 불순물 원자가 반도체 재료에 도입됩니다. 이러한 불순물은 반도체 재료보다 적은 수의 가전자를 가지며, 이로 인해 가전대에 “홀”이 생성됩니다. 이 홀은 양의 전하 운반체처럼 전류를 전도할 수 있습니다.
n형 반도체: n형 반도체에서는 인과 같은 불순물 원자가 반도체 재료에 도입됩니다. 이러한 불순물은 반도체 재료보다 더 많은 가전자를 가지며, 이로 인해 전도대에 과잉 전자가 생성됩니다. 이 과잉 전자는 음의 전하 운반체처럼 전류를 전도할 수 있습니다.
외부 반도체 – 도핑된 반도체
외부 반도체, 또는 도핑된 반도체는 전기적, 광학적, 구조적 특성을 조절하기 위해 의도적으로 도핑된 반도체입니다. 도핑은 반도체의 전기적 특성을 변경하기 위해 내재 반도체에 불순물을 의도적으로 도입하는 과정입니다. 따라서 내재 반도체는 순수 반도체 또는 i형 반도체로도 알려져 있습니다. 실리콘 또는 게르마늄의 정규 결정 격자에 소량의 외국 원자를 추가하면 전기적 특성이 크게 변화합니다. 이러한 외국 도핑 원자는 반도체의 결정 구조에 통합되어 반도체 내의 자유 전하 운반체(전자 또는 전자 홀)를 제공합니다.
n형 반도체
전자 공여 원자로 도핑된 외부 반도체를 n형 반도체라고 합니다. 이는 결정 내 대부분의 전하 운반체가 음전자이기 때문입니다. 실리콘이 네 개의 공유 전자로부터 네 개의 공유 결합을 가지는 넷가당 원소인 경우, 가장 일반적인 도핑 원소는 그룹 III 및 V 원소입니다. 그룹 V 원소(오가당)는 다섯 개의 가전자를 가지며, 이를 통해 공여자로 작용할 수 있습니다. 이는 오가당 불순물(예: 비소, 안티모니, 인)을 추가하면 자유 전자를 많이 생성하여 내재 반도체의 전도성을 크게 증가시킵니다.
p형 반도체
전자 수용 원자로 도핑된 외부 반도체를 p형 반도체라고 합니다. 이는 결정 내 대부분의 전하 운반체가 전자 홀(양의 전하 운반체)이기 때문입니다. 순수 반도체 실리콘은 넷가당 원소이며, 정규 결정 구조는 네 개의 공유 전자로부터 네 개의 공유 결합을 가집니다. 실리콘에서 가장 일반적인 도핑 원소는 그룹 III 및 V 원소입니다. 그룹 III 원소(삼가당)는 세 개의 가전자를 가지며, 실리콘 도핑 시 수용자로 작용합니다. 수용자 원자가 넷가당 실리콘 원자를 결정에서 대체할 때, 결손 상태(전자 홀)가 생성됩니다.