반도체와 p형 반도체의 이해
반도체는 유기물이나 무기물로 구성되어 있으며, 화학 구조, 온도, 조명, 도핑제의 존재 여부에 따라 그 전도성을 조절할 수 있는 물질입니다. 이러한 물질들은 구리, 금과 같은 금속과 유리와 같은 절연체 사이의 전기 전도성을 가지고 있으며, 이로 인해 ‘반도체’라는 명칭이 붙었습니다. 반도체의 특성은 밸런스 밴드와 전도 밴드 사이의 에너지 갭에 의해 결정됩니다. 이 에너지 갭은 4eV 미만(약 1eV)으로, 전자가 이 갭을 넘어 전도 밴드에 도달하기 위해서는 에너지를 얻어야 합니다.
p형 반도체
전자 수용체 원자로 도핑된 외래 반도체를 p형 반도체라고 합니다. 이는 반도체 내 대부분의 전하 운반체가 전자 홀(양의 전하 운반체)이기 때문입니다. 순수한 반도체인 실리콘은 네 개의 공유 결합을 가진 네 가지 원자가 전자를 가진 사방정계 원소입니다. 실리콘을 도핑할 때 가장 흔히 사용되는 도핑제는 III군과 V군 원소입니다. III군 원소(삼가 원소)는 모두 세 개의 원자가 전자를 가지고 있어 실리콘을 도핑할 때 수용체로 작용합니다. 수용체 원자가 결정체 내의 사방정계 실리콘 원자를 대체하면 빈 상태(전자 홀)가 생성됩니다.
이러한 전자 홀은 실리콘과 같은 반도체 재료에서 전자가 자리를 비울 때 원자에서 원자로 이동할 수 있는 양의 전하를 가집니다. 삼가 불순물(예: 붕소, 알루미늄, 갈륨)을 순수 반도체에 추가하면 구조 내에 이러한 양의 전자 홀이 생성됩니다. 예를 들어, 붕소(III군)로 도핑된 실리콘 결정은 p형 반도체를 생성하는 반면, 인(V군)으로 도핑된 결정은 n형 반도체를 생성합니다. 수용체 위치의 수가 전자 홀의 수를 완전히 지배하기 때문에, 전자 홀의 총 수는 대략 수용체 위치의 수와 같습니다(p ≈ NA). 이 반도체 재료의 전하 중성도 유지됩니다.
결과적으로 전자 홀의 수는 증가하지만 전도 전자의 수는 감소합니다. 각 밴드에서 운반체 농도의 불균형은 전자와 홀의 절대 수의 차이로 표현됩니다. p형 재료에서 전자 홀은 다수 운반체이며 전자는 소수 운반체입니다.
주요 반도체 속성
다음은 3가지 순수 반도체와 2가지 p형 및 n형 반도체, 그리고 그들의 4가지 핵심 속성을 나타낸 표입니다:
실리콘(Si): 순수 반도체, 밴드 갭 1.12eV, 전자 이동성 1500 cm2/Vs, 홀 이동성 450 cm2/Vs, 열전도도 150 W/mK
게르마늄(Ge): 순수 반도체, 밴드 갭 0.67eV, 전자 이동성 3900 cm2/Vs, 홀 이동성 1900 cm2/Vs, 열전도도 60 W/mK
갈륨 아르세나이드(GaAs): 순수 반도체, 밴드 갭 1.43eV, 전자 이동성 8500 cm2/Vs, 홀 이동성 400 cm2/Vs, 열전도도 46 W/mK
붕소 도핑 실리콘(p-Si): p형 반도체, 밴드 갭 1.12eV, 전자 이동성 1500 cm2/Vs, 홀 이동성 1800 cm2/Vs, 열전도도 150 W/mK
인 도핑 실리콘(n-Si): n형 반도체, 밴드 갭 1.12eV, 전자 이동성 1500 cm2/Vs, 홀 이동성 450 cm2/Vs, 열전도도 150 W/mK
