n형 반도체와 반도체의 이해
반도체는 무기 또는 유기 재료로서, 화학 구조, 온도, 조명 및 도핑 물질의 존재에 따라 그 전도성을 제어할 수 있습니다. 이러한 재료가 ‘반도체’라고 불리는 이유는 전기 전도성이 구리, 금과 같은 금속과 유리와 같은 절연체 사이에 위치하기 때문입니다. 반도체는 4eV 미만(약 1eV)의 에너지 갭을 가지고 있으며, 고체 물리학에서 이 에너지 갭 또는 밴드 갭은 전자 상태가 금지된 밸런스 밴드와 전도 밴드 사이의 에너지 범위입니다. 전도체와 달리 반도체의 전자는 밴드 갭을 건너 전도 밴드에 도달하기 위해 에너지(예: 이온화 방사선)를 얻어야 합니다. 반도체의 속성은 밸런스 밴드와 전도 밴드 사이의 에너지 갭에 의해 결정됩니다.
반도체의 종류
반도체는 그들의 전자적 성질에 기반하여 두 가지 기본 유형으로 분류될 수 있습니다:
내재 반도체: 이들은 단일 요소(예: 실리콘, 게르마늄)로 만들어진 순수한 반도체로, 의도적인 도핑이 없습니다. 내재 반도체는 그들의 밸런스 밴드와 전도 밴드에 특정 수의 전자를 가지고 있으며, 가열될 때 일부 전자가 충분한 에너지를 얻어 그들의 결합에서 벗어나 전도 밴드에서 자유 전자가 됩니다.
외재 반도체: 이들은 전자적 성질을 변경하기 위해 의도적으로 도핑된 불순물을 포함하는 불순한 반도체입니다. 외재 반도체는 두 가지 유형으로 더 세분화될 수 있습니다:
p형 반도체: p형 반도체에서는 반도체 재료에 보론과 같은 불순물 원소가 도입됩니다. 이 불순물은 반도체 재료보다 적은 수의 밸런스 전자를 가지고 있어, 밸런스 밴드에서 ‘홀'(전자의 부재)이 생성됩니다. 이 홀은 양의 전하 운반체처럼 전류를 전도할 수 있어, 재료에 p형 지정을 줍니다.
n형 반도체: n형 반도체에서는 반도체 재료에 인과 같은 불순물 원소가 도입됩니다. 이 불순물은 반도체 재료보다 많은 수의 밸런스 전자를 가지고 있어, 전도 밴드에서 과잉 전자가 생성됩니다. 이 과잉 전자는 부정적인 전하 운반체처럼 전류를 전도할 수 있어, 재료에 n형 지정을 줍니다.
n형 반도체의 특성
전자 공여자 원소로 도핑된 외재 반도체를 n형 반도체라고 합니다. 이는 결정체 내 대부분의 전하 운반체가 음전자이기 때문입니다. 실리콘은 4가 원소로, 정상 결정 구조는 네 개의 밸런스 전자에서 나오는 4개의 공유 결합을 포함합니다. 실리콘에서 가장 일반적인 도핑 원소는 III군 및 V군 원소입니다. V군 원소(5가)는 다섯 개의 밸런스 전자를 가지고 있어, 도너로 작용할 수 있습니다. 즉, 비소, 안티몬 또는 인과 같은 이 5가 불순물을 추가하면 자유 전자가 많아져 내재 반도체의 전도성이 크게 증가합니다. 예를 들어, 보론(III군)으로 도핑된 실리콘 결정은 p형 반도체를 생성하는 반면, 인(V군)으로 도핑된 결정은 n형 반도체를 생성합니다.
전도 전자는 도너 전자의 수에 의해 완전히 지배됩니다. 따라서:
전도 전자의 총 수는 대략 도너 위치의 수와 같습니다, n≈ND.
반도체 재료의 전하 중성은 흥분된 도너 위치가 전도 전자를 균형을 이루기 때문에 유지됩니다.
결과적으로 전도 전자의 수는 증가하는 반면 홀의 수는 감소합니다. 각 밴드의 운반체 농도의 불균형은 전자와 홀의 절대 수의 차이로 표현됩니다. n형 재료에서 전자는 다수 운반체이며 홀은 소수 운반체입니다.
