P형 반도체

P형 반도체란 주요 전하 캐리어(운반자)로 양공(홀)이 사용되는 반도체이다. 양의 전하를 가지는 양공이 캐리어로서 이동해서 전류가 생긴다. p형 반도체는 실리콘과 동일한 14족 원소의 진성 반도체에, 미량의 13족 원소(예: 붕소 B, 알루미늄 Al, 갈륨 Ga)를 소량 불순물로 첨가해서 만들어진다. 14족 원소인 실리콘 단결정(순수 반도체)에 최외각 전자가 3개인 붕소(B) 등 13족 원소를 불순물로 첨가하면 실리콘 원자와 모두 공유 결합 후, 전자가 비어있는 상태, 즉 정공이 생긴다. 이 상태에서 실리콘 결정에 전압을 걸어주면 정공이 이동하면서 전류가 흐르는 것이다. 즉 전류가 정공의 이동 방향과 동일하게 흐르는 것으로 관찰되며, 이를 p형 반도체라고 한다.^[1]

P형 반도체의 탄생 원리와 억셉터 준위

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 미상에 충분한 외부 에너지를 가하면 전자가 가진 에너지는 전도 대역 에너지 범위로 천이하게 되고, 전도 대역 이상의 에너지를 가진 전자는 원자에게서 영향력에서 빠져나가게 된다. 탈출하여 자유롭게 움직이는 전류의 흐름이 된다. 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. 순수한 실리콘 결정에 최외각 전자가 3개인 붕소를 첨가해 보면 공유 결합에서 전자 자리가 한 자리 비어버리게 됩니다. 이 빈 공간은 전자가 올 수 있는 공간다. 옆에 있는 전자가 빈 공간으로 오면 또 빈 공간이 남게 됩니다.

그러면 또 옆에 있는 전자가 빈 공간으로 오고, 이 행위가 반복됩니다. 여기서 전류는 전자의 흐름입니다. 이때 이 빈 공간으로 인해 전자들이 계속 움직이기에, 이 움직임으로 전류의 흐름이 만들어지게 됩니다. 이를 실리콘 원자 결정에 에너지 전도할 때 다시 보면, 이 빈 공간이 가지는 에너지는 가전자 띠의 바로 위에 위치해 있다. 이를 억셉터 준위라고 한다. 이 에너지 띠는 가전자 띠와 매우 가깝기에, 가정 접대의 전자가 매우 쉽게 에너지 띠로 이동할 수 있다. 이런 식으로 전자가 이동하며 전류의 흐름이 만들어지게 되는데, 다시 말하면 붕소라는 불순물을 순수한 실리콘 결정에 추가하여 순수한 실리콘보다 더욱 손쉽게 전류가 흐르게 만들 수 있다. 이처럼 순수한 실리콘에 최외각 전자가 3개인 원자들을 불순물로 첨가한 반도체를 p형 반도체라고 한다.^[2]

전하 농도 관계

P형 반도체는 실리콘에 붕소(B)나 알루미늄(Al) 같은 3가 원소를 도핑해 형성된다. 이때 가전자대 바로 위에 억셉터 준위가 생기고, 전자가 빠져나간 자리에 정공(hole) 이 다수 캐리어로 존재한다.

정공 농도는 거의 억셉터 농도와 같으며

p0​≈NA​,n0​=NA​ni2​​

로 표현된다.

페르미 준위는 고유 반도체보다 가전자대 쪽으로 이동하며, 온도에 따라 정공 수와 이동도가 달라진다.

(NA: 억셉터 농도, P0: 정공 농도, N0: 전자 농도. n0​=NA​ni2​​로 계산된다.)

전기적 중성식

p+ND−​=n+NA+^[3]​

​

P형 반도체의 페르미 준위

4족 원소에 3족 원소를 도핑하는 경우로, 전자보다는 정공의 농도가 높다. 전자가 들어가야될 자리에 전자가 존재하지 않기 때문에 전자가 소수캐리어, 정공이 다수캐리어가 된다. 즉, 페르미 준위가 더 밴드에 가깝게 붙어야만 한다.

온도 및 전도도 영향

1. Freeze-out Region(50K 이하)

열에너지가 부족하여 가전자대 전자가 억셉터 준위로 전이하지 못한다. 이때 정공이 거의 없어 전도도가 극히 낮다.

2. Extrinsic Region(100K~400K)

대부분의 억셉터 가 이온화되어 정공 농도 p≈NA​ 로 거의 일정하다. 이 구간은 도핑된 정공 전류를 지배하는 구간이다. 그러나 온도 상승에 따라 격자 진동(phonon) 산란이 커져 이동도 μp​ 가 감소하므로, 전도도는 완만히 감소하거나 거의 변하지 않는다.

3. Intrinsic Region(450K 이상)

열로 인해 전자–정공 쌍이 대량으로 생성된다. 고유 캐리어 농도 ni​=AT3/2e−Eg​/(2kT) 가 빠르게 증가하여 n=p=ni​ 가 되고, 반도체는 고유 전도 영역으로 전이된다. 이때 전도도 σ 는 급격히 증가한다.^[4]

P형 반도체의 사용

P형 반도체는 주로 n형 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.

기타

• P형 반도체를 만들기위한 불순물을 억셉터라고 하며, 이 불순물에 의해서 형성된 준위를 억셉터 준위라고 한다.
• 양의 (positive) 전하를 가지는 정공이 다수 캐리어인 것으로부터, positive의 머리글자를 취해서 P형 반도체로 불린다.
• 전자공학에서는 p형 반도체라고도 표기된다. (일본 공업규격 (JIS))

출처

[세상에서 가장 쉬운 과학 수업 반도체 혁명(정완상)]

^[5] lecture2.DVI

https://semiconductor.samsung.com/kr/support/tools-resources/dictionary/semiconductor-glossary-p-type-semiconductor/^[6]

분산된 p 형 및 n 형 반도체 입자의 도핑 효과와 반도체 동작 ( Doping Effects and Semiconductor Behaviors of the Dispersed p - and n - type Semiconductor Particles )