순수 반도체란 무엇인가?
반도체는 유기적 혹은 무기적 물질로, 화학적 구조, 온도, 조명, 그리고 도핑 물질의 존재에 따라 그들의 전도성을 조절할 수 있습니다. 이 물질들은 구리나 금과 같은 금속과 유리와 같은 절연체 사이의 전기 전도성을 가지고 있어 ‘반도체’라는 명칭이 붙었습니다. 반도체들은 4eV(대략 1eV) 미만의 에너지 간격을 가지고 있으며, 이는 고체 물리학에서 전자 상태가 금지된 발렌스 밴드와 전도 밴드 사이의 에너지 범위를 의미합니다. 반도체에서 전자들은 밴드 간격을 넘어 전도 밴드에 도달하기 위해 에너지(예: 이온화 방사선)를 얻어야 합니다.
반도체의 종류
반도체는 그들의 전자적 특성에 기반하여 두 가지 기본 유형으로 분류됩니다:
순수 반도체(Intrinsic Semiconductors): 이들은 단일 원소(예: 실리콘, 게르마늄)로 이루어진 순수한 반도체로, 의도적인 불순물 도핑이 없습니다. 순수 반도체는 그들의 발렌스 밴드와 전도 밴드에 특정 수의 전자를 가지며, 온도가 상승하면 일부 전자가 충분한 에너지를 얻어 그들의 결합을 끊고 전도 밴드에서 자유 전자가 됩니다.
외부 반도체(Extrinsic Semiconductors): 이들은 전자적 특성을 변경하기 위해 의도적으로 불순물로 도핑된 불순한 반도체입니다. 외부 반도체는 다음 두 가지 유형으로 더 세분화됩니다:
p형 반도체: p형 반도체에서는 붕소와 같은 불순물 원소가 반도체 물질에 도입됩니다. 이 불순물들은 반도체 물질보다 적은 수의 발렌스 전자를 가지고 있어, 발렌스 밴드에서 전자의 “구멍”(전자의 부재)이 생성됩니다. 이 구멍들은 양전하 캐리어처럼 전류를 전도할 수 있어, 이 물질을 p형으로 만듭니다.
n형 반도체: n형 반도체에서는 인과 같은 불순물 원소가 반도체 물질에 도입됩니다. 이 불순물들은 반도체 물질보다 많은 수의 발렌스 전자를 가지고 있어, 전도 밴드에 과잉 전자가 생성됩니다. 이 과잉 전자들은 음전하 캐리어처럼 전류를 전도할 수 있어, 이 물질을 n형으로 만듭니다.
순수 반도체의 특성
순수 반도체는 상당한 도핑 종류 없이 완전히 순수한 상태입니다. 따라서 순수 반도체는 또한 순수 반도체 또는 i-형 반도체로 알려져 있습니다. 특정 온도에서의 전하 캐리어 수는 불순물의 수가 아닌 물질의 특성에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 20°C에서 순수 게르마늄의 1 cm³ 샘플은 대략 4.2×1022개의 원자를 포함하지만, 2.5 x 1013개의 자유 전자와 2.5 x 1013개의 구멍을 포함합니다. 이러한 전하 캐리어는 열적 여기에 의해 생성됩니다. 순수 반도체에서, 여기된 전자의 수와 구멍의 수는 동일합니다: n = p. 전자와 구멍은 발렌스 밴드에서 전도 밴드로의 전자 여기에 의해 생성됩니다.
반도체의 응용
순수 반도체는 매우 좋은 절연체도 아니고 매우 좋은 전도체도 아니기 때문에 그 자체로는 크게 유용하지 않습니다. 하지만 반도체의 중요한 특징 중 하나는 불순물로 도핑하고 전기장으로 게이팅함으로써 그들의 전도성을 증가시키고 제어할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 20°C에서 순수 게르마늄의 1 cm³ 샘플은 약 4.2×1022개의 원자를 포함하지만, 열에너지로부터 지속적으로 생성되는 2.5 x 1013개의 자유 전자와 2.5 x 1013개의 구멍을 포함합니다. 1 MeV 광자의 전체 흡수는 약 3 x 105개의 전자-구멍 쌍을 생성합니다. 이 값은 1 cm³ 순수 반도체 내의 자유 캐리어의 총 수에 비해 미미합니다.
