P형 반도체의 형성 과정과 주요 특징에 대해 알려주시고, 특히, 어떤 원소를 첨가하여 형성되는지와 전하 운반자의 종류가 무엇인지 궁금합니다.

Question

P형 반도체의 형성 과정과 주요 특징에 대해 알려주시고, 특히, 어떤 원소를 첨가하여 형성되는지와 전하 운반자의 종류가 무엇인지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

P형 반도체는 기본적으로 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge) 같은 14족 원소에 13족 원소를 소량 첨가하여 만들어집니다. 이 과정을 도핑이라고 하는데, 대표적으로 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 같은 원소가 사용됩니다.

실리콘은 원래 네 개의 최외각 전자를 가지고 있어 네 방향으로 안정된 공유결합을 형성합니다. 그러나 13족 원소는 최외각 전자가 세 개뿐이므로 실리콘 격자에 들어가면 결합에 필요한 전자가 하나 부족하게 됩니다. 이 부족한 자리가 바로 정공입니다. 정공은 실제 입자가 아니라 전자가 없는 빈 자리이지만, 인접한 전자가 이 빈자리를 채우기 위해 이동하면 정공이 반대 방향으로 움직이는 것처럼 보입니다. 따라서 P형 반도체에서는 전류가 전자의 흐름이 아니라 정공의 이동으로 전달됩니다.

도핑된 13족 원소는 억셉터 준위를 형성하여 전자가 쉽게 빠져나가 정공을 만들 수 있게 합니다. 이로 인해 P형 반도체는 순수한 실리콘보다 전도성이 크게 향상됩니다.

결국 P형 반도체의 특징은 정공이 다수 캐리어로 작용한다는 점이며, 전류는 정공의 이동 방향과 동일하게 흐릅니다. 이러한 성질 덕분에 P형 반도체는 N형 반도체와 결합해 PN 접합을 이루고, 다이오드, 트랜지스터, 태양전지 등 다양한 전자 소자의 핵심 구조로 활용됩니다.

Answer 2

안녕하세요.

P형 반도체는 실리콘과 같은 순수한 반도체에 특정 불순물을 의도적으로 첨가하여 전기적 성질을 바꾼 것을 의미하는데요, 이 경우에는 전자가 아닌 정공이 주된 전하 운반자 역할을 합니다.

우선 실리콘은 원자가 전자가 4개인 원소로, 주변의 다른 실리콘 원자들과 공유 결합을 형성하여 안정한 격자 구조를 만드는데요, 전자가 결합에 묶여 있어 자유롭게 이동할 수 있는 전하 운반자가 거의 없기 때문에 전기 전도성이 낮습니다.

따라서 도핑이라는 과정을 통해 불순물을 넣는데요, P형 반도체를 만들기 위해서는 원자가 전자가 3개인 원소를 첨가하며 대표적인 원소로는 붕소, 알루미늄, 갈륨이 있습니다. 이러한 원소가 실리콘 격자 안에 들어가면 원래 실리콘은 4개의 전자를 가지고 결합해야 하는데, 붕소는 전자가 3개뿐이기 때문에 하나의 결합이 완전히 채워지지 못하고 정공이라는 빈자리가 생깁니다. 이때 정공은 주변 전자가 이동하면서 그 자리를 채우게 되고, 그 과정에서 다른 곳에 새로운 빈자리가 생기게 됩니다. 따라서 정공이 마치 이동하는 것처럼 보이며, 이것이 전류를 흐르게 하는 역할을 하는데요, 따라서 P형 반도체에서는 정공이 주요 전하 운반자로 작용한다고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.