N형 반도체

N형 반도체란 전하를 옮기는 캐리어(운반자)로 자유전자가 사용되는 반도체이다. 음의 전하를 가지는 자유전자가 운반자로서 이동해서 전류가 생긴다. 즉, 다수 운반자가 전자가 되는 반도체이다. 14족 원소(실리콘 Si, 저마늄 Ge)에 15족 원소(인 P, 비소 As)를 불순물로 첨가하여 만든다. 14족 원소는 가전자가 4개, 15족 원소는 가전자가 5개로 15족 원소가 14족 원소와 공유결합을 하고 전자가 남는 상태, 즉 잉여 전자가 생긴다. 이 상태에서 14족 원소 결정에 전압을 걸어주면 제자리를 못 찾은 잉여 전자는 자유 전자가 되어 전류가 흐르는 것이다. 자유 전자로 인해 음전하의 성질을 띈다.

N형 반도체의 탄생 원리

실리콘 원자끼리 전자를 공유하고 있는 이 공유 결합은 굉장히 강력한 결합이기에, 전자가 실온에서 얻는 에너지로는 이 결합에서 탈출하기가 힘들다. 에너지 대역이란 전자가 가지고 있는 에너지들의 범위를 눈에 보기 쉽게 만든 표이다. 원자핵에 묶여 있는 실리콘의 최외각 전자가 가진 에너지는 에너지 대역 구조에서 가장 낮은 최상단에 위치해 있다. 이 전자가 원자에게서 탈출하려면 원자핵이 전자를 붙잡고 있는 에너지 이상의 외부 에너지를 주어야 한다.

다시 말하면 가전자 대역과 전도 대역 사이의 갭 차이만큼의 에너지를 줘야 한다. 이때 밴드 갭 이상에 충분한 외부 에너지를 가하면 전자가 가진 에너지는 전도 대역 에너지 범위로 전이하게 되고, 전도 대역 이상의 에너지를 가진 전자는 원자에게서 영향력에서 빠져나가게 된다. 탈출하여 자유롭게 움직이는 전류의 흐름이 됩니다. 이때 아주 순수한 실리콘 결정의 묶여 있는 최외각 전자의 에너지를 전도할 때 처리시켜, 전류가 흐르게 하려면 대략 150도 이상의 온도가 필요하다.

우리가 사는 상온이 대략 20도에서 35도라고 한다면, 순수한 실리콘은 상온에서는 실제로 전류가 흐르기 어렵다는 이야기가 된다. 이 때 순수한 실리콘에 최외곽 전자가 5개인 원자들을 불순물로 첨가한 반도체를 n형 반도체라고 한다. 인(P)이 가진 최외각 전자 4개는 주변 실리콘과 공유되어 결합을 이룬다. 이 떄 남아있는 한 전자는 원자핵에 굉장히 불안정하게 묶여 있는 상태이기에 약간의 에너지만 가해도 쉽게 원자핵을 탈출하여 전류를 만들 수 있다. 결합하지 못하고 불안정하게 묶여 있는 원자가 가진 에너지는 전도대 근처에 위치하고 있고 이를 도우너(doner) 준위라고 한다. 약간의 에너지만 가해도 쉽게 전도대로 튀어 올라가게 되며 이러한 전자들로 인해 전류를 쉽게 형성할 수 있다.

전하 농도 관계

n0​≈ND​​

p0​=ND​ni2​

• ND​: 도너 농도 (도핑 된 5가 원소 수)
• n0​: 전자 농도 (다수 운반자)
• p0​: 정공 농도 (소수 운반자)

• ni​: 고유 반도체의 캐리어 농도

N형 반도체의 페르미 준위

n형 반도체는 위에서 설명한 것과 같이 14족 원소에 15족 원소를 도핑해서 만든다. 따라서 전자가 운반자, 정공이 소수 운반자가 된다. 이말은 곧 전자의 농도가 진성반도체보다 높다는 의미가 되고 , 다르게 말하면 conduction band 가까이 가도 전자가 존재할 확률이 높아진다는 의미가 된다.

온도 및 전도도 영향

1. 저온 영역 (50K 이하)

열에너지가 부족하여 도너 준위의 전자가 전도대로 전이하지 못하므로 자유전자가 거의 없다. 대부분의 도너가 전자를 붙잡고 있어 반도체가 절연체처럼 동작한다.

2. 중간 온도 영역(100K~400K)

자유 전자 농도 n≈ND​ (도너 농도)로 거의 일정하다. 하지만 온도가 오르면서 격자 진동 산란이 증가해 μn​이 감소하므로 전도도는 서서히 감소하거나 거의 변하지 않는다.

3. 고온 영역(450K 이상)

열에 의한 전자-정공 쌍 생성이 도핑 효과보다 우세해진다. 전자와 정공 수 n=p=ni​ 가 되어 전도도 σ가 빠르게 상승한다. Eg​: 밴드갭 에너지(eV) k: 볼츠만 상수(8.617 × 10⁻⁵ eV/K)

N형 반도체의 사용

N형 반도체는 주로 P형 반도체와 결합한 형태인 PN접합(P-N junction)으로 활용한다. P형 반도체와 N형 반도체를 결합하면 N형 반도체의 전자와 P형 반도체의 양공이 만나 재결합을 한다. 이때 재결합이 일어나면서 n형도 p형도 아닌 전기적으로 중성적인 영역이 존재하게 되고 이를 공핍영역이라고 한다. 전자와 홀이 없어진 만큼 n형 반도체의 어디선가 전자가 다시 생기고, p형 반도체의 어디선가는 홀이 새로 생기게 되고, 이를 전하의 생성이라고 한다. 두 반도체를 붙이는 이유는 N형 반도체와 P형 반도체를 붙여 전기적인 기능을 하는 소자를 만들어 줄 수 있기 때문이다. 대표적으로 PN 접합 다이오드, 트랜지스터, 태양전지, 광검출기 등에서 P형 반도체는 다수 캐리어 정공을 공급하는 영역으로 작용한다.

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