'불순물 반도체'에 해당되는 글 2건

  1. 2015.05.19 반도체 학교의 캐리어 이야기, 두 번째
  2. 2015.02.11 반도체, 넌 누구냐! 두 번째 이야기


자, 지난 호에 이어 이번 달에는 반도체가 있는 교실 속 불순물 반으로 다시 들어가 보겠습니다.


ⓒ백종식


불순물 반불순물 반도체입니다. ‘정규학생’은 ‘실리콘’으로 ‘청강생’은 ‘불순물’로 이해를 하면 되겠습니다. 청강생은 학교의 정규학생이 아니므로 선생님을 덜 무서워하는군요.


먼저 P(인) 같은 5족 불순물이 실리콘에 첨가된 N형 반도체를 살펴보도록 하겠습니다. P는 5개의 최외각전자를 가지고 있어서 4개는 실리콘과 공유결합을 이루기 위해 속박되어 있고, 남은 1개가 약하게 붙들려 있다가 약간의 에너지만 공급해줘도 쉽게 떨어져 나가 자유전자처럼 활동합니다. (600원을 가지고 있는 철수를 생각하세요) 이를 밴드 구조로 설명하면 아래 그림과 같습니다.


ⓒ백종식


왼쪽 그림에서, 온도가 0K일 때 여분의 전자는 P에 약하게 구속되어 있는데, 그 결합력은 위 그림에서 Ec와 Ed의 차이만큼(왼쪽 그림)입니다. 오른쪽 그림에서, 온도가 올라가면(온도>0K) 열에너지에 의해 여분의 에너지가 P의 구속으로부터 해방되어 자유전자처럼 떠돌게 되고, (전자가 전도대 위로 올라간 것으로 이해하면 됩니다) P원자는 전자를 잃었으므로 + 전기를 띤 양이온이 됩니다. P원자는 전도대에 전자를 공급한다고 해서 도너(전자를 제공한다고 해서 donor라고 부릅니다)라고 불립니다. 또한, P원자 내의 여분의 전자는 Ec 근처에 에너지 준위를 형성하는데, 이를 도너레벨(donor level)이라고 부릅니다. 위 그림에서 보면 Ed로 표시되어 있습니다.


이제 B(붕소) 같은 3족 불순물이 실리콘에 첨가된 P형 반도체를 살펴볼까요? B는 3개의 최외각전자를 가지고 있어서 실리콘과 4개의 공유결합을 이루는데 하나의 전자가 부족합니다. 하나가 부족하다는 것은 하나가 남는 것의 반대 개념으로 생각할 수 있습니다. 이렇게 전자가 하나 부족한 것은 Ev의 바로 위에 억셉터준위(acceptor level)를 점유하며 열에너지에 의해 가전자대 속에 있는 전자를 하나 받아(공유결합을 충족시키기 위해 실리콘으로부터 여분의 전자를 받아들일 수 있다고 해서 억셉터라고 부르게 되었습니다) - 전기를 띈 음이온이 되고 가전자대에 정공을 생성하게 됩니다. 이때 정공은 전자의 빈자리이므로 다른 실리콘 원자로부터 전자를 받아 채우려고 합니다. 이런 식으로 빈자리, 즉 정공은 움직일 수 있게 되며 정공이 움직인다는 것은 사실은 전자가 움직이는 것이므로 전류가 흐르게 됩니다.


ⓒ백종식


한 가지 재미있는 점이 있습니다. P원자 내의 전자가 원자핵에 결합된 에너지의 크기가 상황에 따라 다르다는 것이지요. P가 고립된 원자로 존재할 경우 5개의 최외각전자는 원자핵으로부터 대략 1옹스트롬(옹스트롬은 거리 단위로, 1옹스트롬은 만분의 일 마이크로미터입니다)의 거리를 두고 수eV의 에너지로 원자핵에 속박되어 있습니다. 그런데 이 P원자가 실리콘 내에 불순물로 존재하면 5개의 최외각전자 중 4개의 전자는 실리콘 원자와 공유결합을 이루고, 남은 하나의 전자는 원자핵으로부터 대략 15옹스트롬의 거리를 두고 약 0.05eV의 약한 에너지로 속박되어 있어, 약간의 열에너지만 공급해도 원자핵의 속박을 끊고 자유전자처럼 거동하게 됩니다. 이렇게 실리콘에 불순물 원자를 넣어 줌으로써 쉽게 자유전자(또는 정공)를 얻을 수 있는 원리를 이용한 것이 바로 불순물 반도체입니다.


전도대 내에 있는 전자와 가전자대 내에 있는 정공을 반도체의 캐리어라고 부르며, 반도체의 전도성(전류를 얼마나 잘 흐르게 하느냐 하는 성질)은 캐리어의 농도에 따라 결정됩니다. 캐리어는 열에너지에 의해 생성된 자유전자(전도대에 존재)와 정공(가전자대에 존재)의 쌍, 그리고 불순물의 이온화에 의해 생성된 전자(N형 반도체, 전자가 전도대로 올라가고 불순물은 양이온이 됩니다)와 정공(P형 반도체, 불순물이 실리콘으로부터 전자를 받아 음이온이 되고 가전자대에 정공이 생깁니다)으로 이루어집니다.


진성 반도체에서 생성되는 캐리어(자유전자와 정공의 쌍)는 열에너지에 의해서 생성되므로 캐리어의 농도가 온도에 의존합니다. 즉, 온도가 높아질수록 열에너지가 높아지므로 캐리어의 농도가 높아집니다. 불순물 반도체에서의 캐리어는 열에너지에 의해 생성된 자유전자와 정공의 쌍, 그리고 불순물의 이온화에 의해 생성된 전자 또는 정공으로 이루어지며, 캐리어의 농도는 온도보다는 주입되는 불순물의 양에 주로 의존합니다(공급된 불순물은 도너레벨과 억셉터레벨이 전도대나 가전자대 근처에 있으므로 실온에서 모두 이온화되어 공급된 불순물의 양만큼 캐리어가 생성되는 것으로 이해하면 되겠습니다).


불순물 반도체에서 열에너지에 의해 생성된 자유전자와 정공의 쌍은 그 수가 많지 않으므로 소수 캐리어라고 부르며, 불순물의 이온화에 의해 생성된 전자 또는 정공은 그 수가 훨씬 많으므로 다수 캐리어라고 부릅니다. 즉, 불순물 반도체의 전기전도성은 다수 캐리어의 농도에 의해 결정되므로 얼마나 많은 불순물을 어떻게 주입해 주느냐 하는 것이 중요합니다. 이렇게 실리콘에 불순물을 주입하는 것을 도핑이라고 부르는데, 도핑 방법에 대해서는 다음에 다뤄보겠습니다. 위에 설명한 대로, 소수 캐리어만 생성할 수 있는 진성 반도체는 널리 사용되지 않고, 다수 캐리어를 쉽게 생성할 수 있는 불순물 반도체가 산업계에서 널리 쓰이고 있습니다.


그렇습니다. 눈치를 챘겠지만, N형 반도체에서는 자유전자가 다수 캐리어고 소량의 정공이 소수 캐리어이며, P형 반도체에서는 정공이 다수 캐리어고 소량의 전자가 소수 캐리어가 됩니다. 한 가지 더 욕심을 내서 설명한다면, 자유전자가 정공보다 움직임이 더 쉽습니다. 전문용어로는 자유전자가 정공보다 이동도가 크다고 표현합니다. ‘복도를 자유롭게 돌아다니는 학생’을 자유전자로, ‘그 학생 때문에 생겨난 교실 내의 빈 의자’를 정공으로 생각해 봅시다. 복도에 있는 학생은 자기가 움직이고 싶은 대로 움직일 수 있지만, 빈 의자의 움직임은 어떤가요? 먼저 어떤 학생이 빈 의자를 발견해야 하고 그 학생이 자기 의자를 비우고 그 의자에 앉는 방식으로 움직임이 발생합니다.


위의 세 가지 반도체(진성 반도체, N형 반도체, P형 반도체)의 밴드 구조가 이해되는지요? 이 구조가 이해가 되어야 다음 호에 소개할 P-N접합을 이해할 수 있으니 어렵더라도 꼼꼼히 읽어 보시기 바랍니다. 파이팅!




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자, 앞서 예를 들었던 순이와 철이의 경우를 다시 떠올려보겠습니다. 각각이 500원을 갖고 있으면서 1,000원짜리 청량음료를 사서 공유하는 것이었지요. 이 경우에는 갖고 있던 모든 돈을 청량음료 사서 공유하는 데 사용했으므로 다른 용도로 사용할 수 있는 여유 자금은 없습니다. 이처럼 모든 최외각 전자들이 공유결합에 속박되어 있어서 자유전자가 없어 부도체로써 거동하다가 열을 가해주면 일부의 전자가 공유결합에서 이탈되어 자유전자가 됨으로써 약하게 도체의 거동을 하는데요, 이러한 반도체를 진성반도체라고 부른다고 했습니다.


이번에는 다른 경우를 생각해볼까요? 순이는 500원을 갖고 있는데 철이가 600원을 갖고 있으며 1,000원짜리 청량음료를 먹고 싶다고 가정해보겠습니다. 각각 500원씩 내서 1,000원짜리 청량음료를 공유하고 나서도 100원이 남게 되어, 이 100원은 다른 용도로 자유롭게 사용할 수 있습니다. 600원을 가진 철이의 수가 많을수록 자유롭게 사용할 수 있는 100원짜리가 많아지겠지요. 모두가 500원을 가지고 있는 가운데 가끔 600원을 가진 사람이 섞여 있는데, 이를 불순물로 이해하면 됩니다. 즉, 4개의 최외각 전자를 갖는 규소 물질 속에 5개의 최외각 전자를 갖는 물질이 섞이게 되면 공유결합에 각각 4개의 최외각 전자를 사용하고도 하나가 남게 되며, 이 남은 전자는 전압이 가해졌을 때 한 원자에 속박되지 않고 자유롭게 이동할 수 있어 도체로써 거동하게 됩니다. 이러한 반도체를 불순물 반도체(不純物半導體)라고 부릅니다. 불순물 반도체는 진성반도체보다 훨씬 많은 양의 자유전자를 생성할 수 있어서 일반적으로 많이 사용하고 있습니다.


그럼 규소 물질에 사용되는 불순물은 어떤 것들이 있는지 살펴보고, 규소 물질이 어떻게 부도체에서 도체로 바뀌게 되는지에 대해 다뤄보도록 하겠습니다. 지금까지 발견된 모든 원소(元素)들을 원자번호(원자핵 주위를 돌고 있는 전자의 수)의 순서대로 배열하면서 물리적, 화학적 성질이 비슷한 원소들이 같은 족(族)으로 배열되도록 하나의 표로 분류한 것이 원소주기율표(元素週期律表)입니다. 벌써 머리가 아프다고요? 차근차근 필자를 따라오다 보면 복잡해 보이는 표에 금방 친숙해질 것입니다. 준비되었나요?


▲ 원소주기율표

사진 출처 : http://ko.wikipedia.org


주기율표는 간단하게 설명하자면 18개의 세로줄과 7개의 가로줄로 이루어져 있습니다. 하나의 가로줄을 보면 왼쪽에서 오른쪽으로 가면서 전자의 수가 하나씩 증가하는데, 이에 따라 원소의 특성에 일정한 경향성을 갖게 됩니다. 이렇게 해서 18개까지 가게 되면 다음 가로줄로 넘어갑니다. 이렇게 다음 가로줄로 넘어가는 것을 주기(週期)라고 부릅니다. 하나의 세로줄 내에 있는 원소들은 비슷한 전자배치(최외각 전자의 수가 같음)를 하고 있어서 비슷한 성질을 갖게 되며, 각각의 세로줄을 족(族, 가족이라는 뜻이겠지요)이라고 부릅니다. 오른쪽으로부터 다섯 번째 열을 보면 C, Si, Ge, Sn, Pb 등이 있는데 이들은 모두 최외각에 4개의 전자를 가지고 있는 물질들로 4A족이라고 부릅니다. 왼쪽 열에는 B, Al, Ga, In이 있는데 이들은 모두 최외각에 3개의 전자를 가지고 있는 물질들로써 3A족이라고 부르며, 오른쪽 열에는 N, P, As, Sb, Bi 등이 있는데 이들은 모두 최외각에 5개의 전자를 가지고 있는 물질들로써 5A족이라고 부릅니다.


먼저, 이 중에 5A족의 비소(As)를 불순물로 사용한 규소 불순물 반도체를 살펴볼까요? 비소는 5개의 최외각 전자를 가지고 있어서 4개의 최외각 전자를 가지고 있는 규소와 공유결합을 이루기 위해 4개의 최외각 전자를 공유하고 1개의 최외각 전자가 여분으로 남습니다. 이 여분의 전자는 약하게 비소에 속박되어 있어서 거의 자유전자처럼 행동하게 되어 전기적 도체가 됩니다. 이처럼 여분의 전자가 전기전도성을 갖도록 하는 반도체를 n형 반도체라고 합니다. 이는 전자가 음의 전하량을 갖기 때문에 negative의 머리글자를 따서 n형 반도체라고 부르게 된 것입니다.


다음으로 3A족의 붕소(B)를 불순물로 사용한 규소 불순물 반도체를 생각해보기로 하지요. 붕소는 3개의 최외각 전자를 가지고 있어서 4개의 최외각 전자를 가지고 있는 규소와 공유결합을 이루는데 1개의 최외각 전자가 부족하게 됩니다. 전자가 하나 부족하다는 것은 전자가 하나 여분으로 남는다는 것의 반대 개념이 되며 이를 정공(hole)이라고 부릅니다. 정공은 자유전자와 비슷한 개념으로 반대의 행동을 하는 것으로 이해해도 무방하겠습니다. (사실 엄밀하게 보자면 자유전자와 정공은 정확히 반대로 행동하지는 않습니다. 예를 들어, 전압이 걸렸을 때 정공보다 자유전자가 더 빠르게 이동하는 특성이 있습니다. 하지만 여기서는 엄밀하게 다루지 않고 개념적으로만 다루도록 하겠습니다.)


정공(전자의 빈자리)이 전압에 의해 움직여 전기적 도체가 되도록 하는데, 이처럼 정공이 전기전도성을 갖도록 하는 반도체를 p형 반도체라고 하고, 이는 정공이 양의 전하량을 갖기 때문에(사실은 정공이 양의 전하량을 갖는 것이 아니고, 음의 전하량을 갖는 전자의 빈자리이므로 양의 전하량을 갖는 것으로 해석하는 것입니다.) positive의 머리글자를 따서 p형 반도체라고 부르게 된 것입니다. 자유전자의 수와 정공의 수가 같은 진성 반도체와는 달리 불순물 반도체에서는 자유전자의 수와 정공의 수가 같지 않습니다. 자유전자가 다수의 캐리어 역할을 하면 n형 반도체, 정공이 다수의 캐리어 역할을 하면 p형 반도체라고 부릅니다.


▲ N형 반도체와 P형 반도체

사진 출처 : 최신자동차공학시리즈3 (http://goo.gl/Ns3LxI)


요약하자면, 반도체라는 물질은 부도체로 행동하다가 특별한 경우(열이나 빛 등의 에너지를 가해주든지 불순물을 섞어주는 경우)에 도체로 행동하는 특성을 갖습니다. 반도체를 크게 둘로 나누면, 열이나 빛 등의 에너지를 가해서 자유전자와 정공의 쌍을 생성해 줌으로써 전도성을 갖도록 한 진성 반도체와 불순물을 섞어서 자유전자 또는 정공을 생성하여 전도성을 갖도록 한 불순물 반도체로 나눌 수 있습니다. 불순물 반도체를 둘로 나누면, 5A족의 원소를 불순물로 섞어서 여분의 전자가 생기도록 한 n형 반도체와 3A족의 원소를 불순물로 섞어서 전자가 모자라게 한(정공이 생기도록 한) p형 반도체로 나눌 수 있는 것입니다.




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