불순물 반도체

불순물 반도체 또는 외인성 반도체(extrinsic semiconductor)는 도핑된 반도체이다. 비고유 반도체라고도 한다. 반도체 결정을 제조하는 동안, 순수한 반도체 결정(이를 진성 반도체라고 함)과는 다른 전기적 특성을 부여할 목적으로 도펀트라고 불리는 미량 원소 또는 화학 물질이 결정 내에 화학적으로 통합된다. 불순물 반도체에서는 결정 격자 내의 이러한 외부 도펀트 원자들이 주로 결정 내로 전류를 운반하는 전하 운반자를 제공한다. 사용되는 도펀트는 두 가지 유형이 있으며, 그 결과 두 가지 유형의 불순물 반도체가 생성된다. 전자 주개 도펀트는 결정에 통합될 때 결정 격자 내로 이동 가능한 전도 전자를 방출하는 원자이다. 전자 주개 원자로 도핑된 불순물 반도체를 n형 반도체라고 부르는데, 결정 내 전하 운반자의 대부분이 음전하를 띠는 전자이기 때문이다. 전자 받개 도펀트는 격자로부터 전자를 받아들여 전자가 있어야 할 빈자리를 만들어내는데, 이를 양전하를 띤 입자처럼 결정 내를 이동할 수 있는 양공이라고 부른다. 전자 받개 원자로 도핑된 불순물 반도체를 p형 반도체라고 부르는데, 결정 내 전하 운반자의 대부분이 양전하를 띠는 양공이기 때문이다.

도핑은 반도체가 나타낼 수 있는 놀랍도록 넓은 범위의 전기적 거동의 핵심이며, 불순물 반도체는 다이오드, 트랜지스터, 집적 회로, 반도체 레이저, 발광 다이오드, 태양 전지와 같은 반도체 소자를 만드는 데 사용된다. 포토리소그래피와 같은 정교한 반도체 제조 공정은 동일한 반도체 결정 웨이퍼의 다른 영역에 다른 도펀트 원소를 주입하여 웨이퍼 표면에 반도체 소자를 만들 수 있다. 예를 들어, 일반적인 유형의 트랜지스터인 n-p-n 접합형 트랜지스터는 두 개의 n형 반도체 영역이 p형 반도체 영역으로 분리되어 있는 불순물 반도체 결정으로 구성되며, 각 부분에는 금속 접점이 연결되어 있다.

반도체 내 전도

고체 물질은 원자에 부착되지 않고 자유롭게 움직일 수 있는 전하를 띤 입자인 전자를 포함하고 있어야만 전류를 전도할 수 있다. 금속 도체에서는 금속 원자가 전자를 제공한다. 일반적으로 각 금속 원자는 외부 궤도 전자 중 하나를 방출하여 결정 전체를 움직이며 전류를 운반할 수 있는 전도 전자가 된다. 따라서 금속 내 전도 전자의 수는 원자 수와 같으며, 이는 매우 큰 수이므로 금속은 좋은 도체이다.

금속과 달리 벌크 반도체 결정을 구성하는 원자는 전도에 책임이 있는 전자를 제공하지 않는다. 반도체에서 전기 전도는 결정 내 불순물 또는 도펀트 원자에 의해 제공되는 이동 가능한 전하 운반자인 전자 또는 양공에 의해 발생한다. 불순물 반도체에서 결정 내 도핑 원자의 농도는 전하 운반자의 밀도를 크게 결정하며, 이는 도전율뿐만 아니라 많은 다른 전기적 특성도 결정한다. 이것이 반도체 다용성의 핵심이다. 도핑을 통해 전도도를 여러 자릿수에 걸쳐 조작할 수 있다.

반도체 도핑

반도체 도핑은 진성 반도체를 불순물 반도체로 바꾸는 과정이다. 도핑 중에 불순물 원자가 진성 반도체에 도입된다. 불순물 원자는 진성 반도체의 원자와 다른 원소의 원자이다. 불순물 원자는 진성 반도체에 주개 또는 받개로 작용하여 반도체의 전자 및 양공 농도를 변화시킨다. 불순물 원자는 진성 반도체에 미치는 영향에 따라 주개 또는 받개 원자로 분류된다.

주개 불순물 원자는 진성 반도체 격자에서 대체하는 원자보다 더 많은 원자가 전자를 가지고 있다. 주개 불순물은 추가 원자가 전자를 반도체의 전도띠에 "기부"하여 진성 반도체에 과잉 전자를 제공한다. 과잉 전자는 반도체의 전자 운반자 농도(n₀)를 증가시켜 n형으로 만든다.

받개 불순물 원자는 진성 반도체 격자에서 대체하는 원자보다 더 적은 원자가 전자를 가지고 있다. 이들은 반도체의 원자가띠에서 전자를 "받아들인다". 이는 진성 반도체에 과잉 양공을 제공한다. 과잉 양공은 반도체의 양공 운반자 농도(p₀)를 증가시켜 p형 반도체를 생성한다.

반도체와 도펀트 원자는 주기율표에서 속하는 열에 의해 정의된다. 반도체의 열 정의는 원자의 원자가 전자가 몇 개인지, 그리고 도펀트 원자가 반도체의 주개 또는 받개로 작용하는지 여부를 결정한다.

14족 반도체는 15족 원자를 주개로, 13족 원자를 받개로 사용한다.

13-15족 반도체, 즉 화합물 반도체는 16족 원자를 주개로, 2족 원자를 받개로 사용한다. 13-15족 반도체는 14족 원자를 주개 또는 받개로 사용할 수도 있다. 14족 원자가 반도체 격자에서 13족 원소를 대체하면 14족 원자는 주개로 작용한다. 반대로 14족 원자가 15족 원소를 대체하면 14족 원자는 받개로 작용한다. 14족 원자는 주개와 받개 모두로 작용할 수 있으므로 양쪽성 불순물로 알려져 있다.

	진성 반도체	주개 원자 (n형 반도체)	받개 원자 (p형 반도체)
14족 반도체	규소, 저마늄	인, 비소, 안티모니	붕소, 알루미늄, 갈륨
13-15족 반도체	인화 알루미늄, 비소화 알루미늄, 비소화 갈륨, 질화 갈륨	셀레늄, 텔루륨, 규소, 저마늄	베릴륨, 아연, 카드뮴, 규소, 저마늄

두 가지 유형의 반도체

n형 반도체

n형 반도체의 띠 구조. 전도띠의 어두운 원은 전자를 나타내고 원자가띠의 밝은 원은 양공을 나타낸다. 이 그림은 전자가 다수 전하 운반자임을 보여준다.

 NMOS 논리 및 디플리션 부하 NMOS 논리 문서를 참고하십시오.

n형 반도체는 제조 과정에서 진성 반도체에 전자 주개 원소를 도핑하여 생성된다. n형이라는 용어는 전자의 음전하에서 유래한다. n형 반도체에서 전자는 다수 운반자이고 양공은 소수 운반자이다. n형 규소의 일반적인 도펀트는 인 또는 비소이다. n형 반도체에서 페르미 준위는 진성 반도체보다 크며 원자가띠보다 전도띠에 더 가깝게 위치한다.

예시: 인, 비소, 안티모니 등

p형 반도체

p형 반도체의 띠 구조. 전도띠의 어두운 원은 전자를 나타내고 원자가띠의 밝은 원은 양공을 나타낸다. 이 그림은 양공이 다수 전하 운반자임을 보여준다.

 PMOS 논리 문서를 참고하십시오.

p형 반도체는 제조 과정에서 진성 반도체에 전자 받개 원소를 도핑하여 생성된다. p형이라는 용어는 양공의 양전하를 의미한다. n형 반도체와 달리 p형 반도체는 전자 농도보다 양공 농도가 더 높다. p형 반도체에서 양공은 다수 운반자이고 전자는 소수 운반자이다. 규소의 일반적인 p형 도펀트는 붕소 또는 갈륨이다. p형 반도체의 경우 페르미 준위는 진성 반도체보다 아래에 있으며 전도띠보다 원자가띠에 더 가깝게 위치한다.

예시: 붕소, 알루미늄, 갈륨 등

불순물 반도체의 활용

불순물 반도체는 많은 일반적인 전기 장치의 구성 요소이다. 반도체 다이오드(한 방향으로만 전류를 허용하는 장치)는 p형 반도체와 n형 반도체가 서로 접합되어 구성된다. 현재 대부분의 반도체 다이오드는 도핑된 규소 또는 저마늄을 사용한다.

트랜지스터(전류 스위칭을 가능하게 하는 장치)도 불순물 반도체를 활용한다. 전류를 증폭하는 접합형 트랜지스터(BJT)는 트랜지스터의 한 종류이다. 가장 일반적인 BJT는 NPN 및 PNP 유형이다. NPN 트랜지스터는 p형 반도체를 두 개의 n형 반도체 층 사이에 끼워 넣는 구조이다. PNP 트랜지스터는 n형 반도체를 두 개의 p형 반도체 층 사이에 끼워 넣는 구조이다.

장효과 트랜지스터(FET)는 불순물 반도체를 구현하여 전류를 증폭하는 또 다른 유형의 트랜지스터이다. BJT와 달리 단일 운반자 유형 작동( – N-채널 또는 P-채널)을 포함하므로 유니폴라라고 불린다. FET는 두 가지 계열로 나뉘는데, 3단자 반도체인 접합 게이트 FET(JFET)와 4단자 반도체인 절연 게이트 FET(IGFET)이다.

불순물 반도체를 구현하는 기타 장치:

• 레이저
• 태양 전지
• 광검출기
• 발광 다이오드
• 사이리스터

같이 보기

• 진성 반도체
• 도핑 (반도체)
• 반도체 재료 목록

각주

• Neamen, Donald A. (2003). 《Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles (3rd ed.)》. McGraw-Hill Higher Education. ISBN 0-07-232107-5.

외부 링크

• Howstuffworks: 반도체 작동 방식