실리콘의 원자 구조, N형 반도체와 P형 반도체의 에너지 구조

불순물 종류에 따라 P형 반도체와 N형 반도체가 됩니다.

 

실리콘의 원자 구조

 

실리콘은 중심에 원자핵이 있고, 원자핵에 붙잡혀 있는 형태로 그 주변의 궤도 14개가 있습니다. 여기서 전자를 붙잡고 있는 구속력은 플러스 전하와 마이너스 전하의 힘 겨루기에 따라 달라집니다.

 

가장 바깥쪽에 있는 전자 궤도의 전자를 가전자라고 하는데, 원자의 결합은 전기 전도에 기여합니다. 실리콘 단결정은 가전자 4개가 서로 이웃하는 실리콘 원자의 가전자를 공유하고 있고 가장 바깥쪽 전자 수가 8개 일 때 안정된 결정을 만듭니다. 이 상태에서 전자는 원자에 강하게 속박돼 대부분 전지전도에 기여할 수 없습니다. 저항들은 도체도 절연체도 아닌, 이른바 순수한 반도체 상태입니다.

단결정이란 모든 원자와 원자 사이의 결정 방향이 3차원적으로 반복되는 배열을 가진 결정 구조입니다. 그와 달리 다결정은 결정 방향이 다양한 미소 결정이 응집된 구조입니다. 또한 비결정성은 규칙성이 없고, 배열구조가 완전히 랜덤 한 상태입니다. 실리콘에는 이런 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비결정성 실리콘 상태가 있습니다.

 

N형 반도체와 P형 반도체

 

 

N형 반도체

 

실리콘 다결정에 인(P) 같은 5가 원소를 소량의 불순물로 첨가한 것이 N형 반도체입니다. 실리콘은 가전자가 4개, 인은 가전자가 5개 있습니다. 이 경우에 가장 바깥쪽은 가전자가 8개이면 안정하기 때문에 가전자 1개는 남아서 원자에 구속받지 않고 자유롭게 움직일 수 있는 전도대에서 자유전자가 됩니다.

 

이 자유전자가 전도에 기여하기 때문에 저항들이 1/1,000에서 1/10,000로 급격히 내려가 도체에 가까워지는 것입니다. 전자를 일렉트론이라고도 부르는데 특히 전도에 기여하는 자유전자를 캐리어라고 부릅니다. 일렉트론이 마이너스 전하를 띤다고 해서 N형 반도체라고 부릅니다.

 

 

 

P형 반도체

 

실리콘 단결정에 붕소(B) 같은 3가 원소를 소량의 불순물로 첨가한 것이 P형 반도체입니다. 여기서 실리콘은 가전자 4개, 붕소는 가전자 3개가 있습니다. 가장 바깥쪽은 가전자가 8개이면 안정하기 때문에 가전사가 1개 부족해져서 전자가 있어야 할 장소가 생기는 것을 홀이라고 부릅니다.

 

 

홀에는 전자가 들어갈 수 있기 때문에 옆에서 전자가 이동해 오고 이동한 전자가 있던 자리 역시 올이 되고, 또 전자가 자리를 옮기는 형태입니다. 이러한 자유 홀은 결과적으로 자유전자와 마찬가지로 전도에 기여합니다. 그 방향은 당연히 전자와 반대가 되기 때문에 전류와 방향이 같아집니다. 전도에 기여하는 홀을 캐리어라고 부르는데, 캐리어인 올이 플러스 전하를 띠기 때문에 P형 반도체라고 합니다.

사실 상온에서도 N형 반도체에는 홀이, P형 반도체에는 전자가 약간 존재합니다. 이들은 소수 캐리어라고 부르며 소수 캐리어는 MOS 트랜지스터 작동에서 중요한 역할을 합니다.

 

 

N형 반도체, P형 반도체의 에너지 구조

 

에너지 구조는 물질의 전자 에너지 상태를 표준 형식으로 나타낸 것입니다. 실리콘 결정의 전자 에너지 구조는 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 전도대, 전자가 가득 차 있지만 속박돼 움직일 수 없는 가전지대, 전자대와 가전자대 사이에서 전자가 존재하지 못하는 금지대, 이렇게 세 영역으로 나타낼 수 있습니다. 여기서 금지대의 폭을 에너지 갭이라고도 부르는데 이 값은 반도체 재료에 따라 달라지며 실리콘에서는 1.17eV입니다.

 

도체는 금지대가 없거나 혹은 가전자대와 전도대가 포개진 상태입니다. 그래서 실온 부근의 열에너지 때문에 쉽게 여기 되고, 전자는 자전지대에서 전도대로 뛰어넘을 수 있어서 전도대에는 많은 자유전자가 존재합니다. 따라서 전압을 가하면 자유전자가 이동해서 전류가 흐릅니다. 절연체는 금지대의 폭이 매우 넓어서 가전자대의 전자가 금지대를 뛰어넘을 수 없는 탓에 전도대에 자유전자가 없습니다. 즉 전압을 가해도 전류가 흐르지 않습니다.

반도체는 금지대의 폭이 도체와 절연체 중간쯤이며 절연체만큼 폭이 없지 않습니다. 그래서 어떤 에너지를 받아 여기 상태가 될 수 있습니다. 예를 들어 불순물을 첨가하면 마력이 상승하는 에너지가 되기 때문에 가전지대의 전기가 금지대를 뛰어넘어 전도대에 도달할 수 있습니다. 그 결과. 반도체의 특성은 절연체에서 도체로 변하고 전도대에 자유전자가 존재합니다. 이때 전압을 가하면 자유전자가 이동해서 전류가 흐르게 됩니다. 

 

 

 

N형 반도체의 에너지 구조

N형 반도체는 진성 반도체인 실리콘 단결정에 인 같은 불순물을 조금 첨가한 것입니다. 지금까지는 인을 첨가하면 에너지를 얻은 가전지대의 전자가 에너지 갭을 뛰어넘어 전도대에 도달하고, 자유전자가 된다고 말했습니다. 그러나 정확히 말하자면 가전지대의 전자는 직접 에너지를 얻은 것이 아니라 금지대 안의 새로운 에너지 레벨을 이어받아 전도대에 도달한 것입니다.
불순물로 인이 첨가되면 실리콘 일부가 안으로 대체된 과잉 전자 1개는 자유전자가 됩니다. 인의 입장에서 보면 전자 하나를 잃어버려 움직일 수 없고 양이온화된 불순물 원자가 생겼다고 할 수 있습니다. 이 상태를 N형 반도체의 에너지 구조에서 보면 첨가한 불순물 안이 금지대 안의 전도대 아래 근방에 도너 준위 하는 에너지 레별을 생성한 셈이 됩니다.   도너 준위에서 전도대까지의 에너지 갭은 실리콘 반도체의 약 1/20로 이 때문에 실온 부근의 온도 영역에서 쉽게 전도대로 방출돼 자유전자가 될 수 있습니다. 이것이 마력을 상승시키는 에너지의 정체입니다. 이 에너지가 전도대로 자유전자를 뛰어오르게 만듭니다.

 

 

P형 반도체의 에너지 구조

P형 반도체도 똑같습니다. 불순물로 붕소가 첨가되면 실리콘 일부가 붕소로 대체되고 전자 1개가 결손 돼 다른 곳이 전자를 뺏기가 쉬워집니다. 이것을 붕소 쪽에서 보면 홀이 전자를 받아들일 수 있는 상태에서 전자를 받아들여 움직이지 못하게 음이온화된 불순물 원자가 생겼다고 생각할 수 있습니다.

이 상태는 첨가한 불순물인 붕소가 금지대인 안의 가전자대 위 근방에서 엑셉터 준위라는 에너지 레벨을 만들었다는 뜻입니다. 이 상태에서 가전지대에 구속된 전자는 어셉터 준위까지의 에너지 갭이 작습니다. 이 때문에 쉽게 엑셉터로 여기 돼 자유 홀이 생기는 것입니다. 혹은 반대로 생각하면 억셉터가 가전지대로 홀을 방출한다고 볼 수도 있습니다.