[반도체] #3 불순물은 반도체도 춤추게 해요~

 

 

지난 시간, 반도체 물질의 특성과 기능으로 최외각 전자의 개수에 따라 Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ족으로 구분되는 것과 반도체를 구성하는 Silicon원자의 구조에 대해 알아보았습니다.

 

오늘은, 반도체 쉽게 알기 3탄으로 물질별 특성을 이용하여 만들어지는 진성반도체와 불순물반도체에 대해 함께 알아보겠습니다. 

 

                       

                                   ▲ Ⅲ족인 붕소 원자 모형                  ▲ Ⅳ족인 실리콘원자 모형                   ▲ Ⅴ족인 비소원자모형

 

 

반도체가 만들어지는 실리콘단결정이란 어떤 성질을 가지고 있을까요?

 

여기서, 말하는 결정(Crystal)은 형성방법에 따라 단결정과 다결정으로 분류되는데요. 단결정이란 시료의 어느 부분을 보아도 결정축의 방향이 같은 것이고, 다결정이란 많은 단결정들이 여러 방향으로 모여 있는 것을 말합니다.

 

실리콘 단결정은 실리콘 원자가 규칙적으로 늘어서 있는데요. 한 개의 실리콘원자는 최외각에 4개의 전자를 가지는 주기율표상의 Ⅳ족 원소이고, 서로 이웃하는 전자끼리 굳게 결합함으로써 결정을 이루게 되는데, 이러한 결합을 공유결합이라고 합니다.

 

                                      

▲ Si의 최외각 전자 4개가 서로 이웃한 Si 전자와 공유 결합된 상태

 

                                         

 

이런 순수한 실리콘에서는 원자핵에 결합되어 있는 전자가 움직일 수 없기 때문에, 실리콘 외부에서 전압을 걸어도 전류는 흐르지 않게 되는데요. 이를 진성(Intrinsic)반도체 라고 합니다. 

 

 

                                       

▲ 공유 결합된 순수한 Si는 전압을 인가하여도 전류가 흐르지 않음

 

 

 

이처럼 진성반도체는 부도체나 다를 바 없는 상태이지만,  특정 불순물을 주입해 주면 전류가 흐르는 신기한 현상이 발생하는데요~

 

여기서 불순물은, 실리콘 웨이퍼가 전자회로의 기능을 갖도록 주입하는 인(P), 붕소(B) 등의 물질을 말합니다. 불순물에 있는 전자나 정공이 전류를 흐르게 하는 매개체 역할을 하는 것으로, 이러한 불순물을 일정량 첨가함으로써 원하는 방법으로 타입이 변화될 수 있는 것입니다. 이렇게, 불순물로 자신의 전기전도도를 조절할 수 있는 반도체를 외인성(Extrinsic)반도체 혹은 불순물 반도체라고 하는데요~  

 

외인성반도체에는 p-type과 n-type 두 가지가 있습니다.

 

 

                              

▲ 3족원소를 Doping하여 생긴 전자 빈공간(Hole)으로 인해 전류가 흐름 (p-type)

 

 순수한 실리콘, 즉 진성반도체에 주기율표상 Ⅲ족 원소를 소량 넣어 주면 전자가 비어있는 상태, 즉 정공(Hole)이 생기게 됩니다. 이 상태에서 실리콘에 전압을 걸어주면 전류가 흐르게 되는 것인데요~ 이를 p-type반도체 또는 p-type 실리콘 이라고 합니다.

                               

▲ 5족 원소 Doping으로 결합 후 남은 자유전자들로 인해 전류가 흐름 (n-type)

 

 

 

 

 

 

반면에, 주기율표상 Ⅴ족 원소를 소량 넣어 주면 전자가 남는 상태, 즉 잉여전자가 생기게 됩니다. 이 상태에서 실리콘에 전압을 걸어주면 제자리를 못 찾은 이 잉여전자가 자유전자가 되어 전류가 흐르게 되는 것인데요~ 이를 n-type반도체 또는 n-type 실리콘 이라고 합니다.

한 톨의 먼지도 허용하지 않는 청정 반도체에 불순물을 투입한다는 사실, 신기하지 않나요? Ⅲ족, Ⅴ족 원자 주입으로 반도체의 전기적 성질을 결정할 수 있다는 사실! 잊지 마세요~

 

불순물은 반도체도 춤추게 한답니다~♬

​다음시간에는 지금의 반도체가 있기까지의 발전과정에 대해 알아보겠습니다.

 

기대해 주세요!

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[출처] www.samsungsemiconstory.com

 

 

 

 

 

 

 

 

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