N형 도핑과 P형 도핑

N형 도핑

 

 

N형 도핑의 목적은 물질에 운반자 역할을 할 전자를 많이 만드는 것이다. 실리콘(Si)의 경우를 생각해보자. Si원자는 원자가 전자 4개를 가지고 있고, 각 원자는 주변의 Si원자 4개와 공유결합을 이루고 있다. 만약 이 Si 원자의 결정구조에 원자가 전자가 5개인 원자(주기율표의 5족에 있는 원자 : 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi))가 들어간다면, 그 추가된 원자는 공유결합 4개를 갖고, 결합하지 않은 전자를 하나 갖게 된다. 이 여분의 전자는 원자에 약하게 구속 돼 있어서 쉽게 전도띠로 올라갈 수 있다. 상온에서, 이런 전자는 사실상 전부 들떠서 전도띠로 올라가게 된다. 이런 전자가 들뜨는 것은 양공을 만들어내지 않기 때문에, N형 도핑을 한 물질에서는 전자가 양공보다 훨씬 많다. 이 경우 전자는 다수 운반자(majority carrier)이고, 양공은 소수 운반자가 된다. 전자를 5개 가진 원자는 여분의 전자를 내놓기 때문에, 이러한 원자를 ‘donor 원자’라고 한다. 반도체에서 이동 가능한 전자는 절대 불순물 이온에서 멀리 떨어지지 않는다. 다시 말해, 잉여전자가 원자에서 떨어져 나오긴 하지만, 그 원자에서 멀리 가진 않는다. 그리고 N형 도핑된 물질은 보통 전기적으로 중성을 띤다.

 

 

 

P형 도핑

 

 

P형 도핑을 하는 것은, 양공을 많이 만들기 위해서다. 실리콘의 경우에, 결정 구조에 3가 원자(붕소(B), 알루미늄(Al), 인듐(In), 갈륨(Ga) 등)를 넣는다. 그렇게 하면, 보통 실리콘이 갖는 공유결합 4개 중에 전자가 하나 부족하게 된다. 그래서 이 도펀트는 4번째 결합을 완성하기 위해 주변 원자의 공유결합으로부터 전자를 하나 얻어올 수 있다. 이러한 도펀트를 ‘acceptor’라고 한다. 이 도펀트 원자가 전자를 하나 받으면, 주변의 원자가 가진 공유결합에서는 전자가 하나 부족해져서 ‘양공’이 생기게 된다. 각 양공은 주변의 음전하 도펀트 이온과 연결되어서, 반도체 전체로 보았을 때에는 중성을 유지한다. 하지만 양공이 격자구조를 돌아다니게 되면 양공 위치의 양성자가 ‘노출’돼서 더 이상 전자로 상쇄되지 않는다. 그래서 양공이 양전하 같은 성질을 띤다. 만약 acceptor 원자가 많이 추가되면, 양공이 열로 인해 들뜬 전자보다 훨씬 많아지게 된다. 그래서 P형 물질에서는 양공이 다수 운반자이고, 전자는 소수 운반자이다. 붕소(B) 불순물을 포함하고 있는 파란 다이아몬드(IIb 형)는 자연에 존재하는 P형 반도체의 예다.

 

 

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Posted by  Mr.반