학문
반도체의 불순물 첨가는 전기적 특성을 어떻게 바꾸나요?
순수한 반도체에 특정 원소들을 소량 첨가하는 공정이 사용되는데, 첨가되는 원소의 종류와 농도에 따라 전하의 이동 특성은 어떻게 달라지는지 의견 부탁드립니다.
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.
불순물을 넣으면 전자나 정공이 늘어나서 전기가 잘 통하게 됩니다.
5가 원소를 넣으면 전자가 많아져 n형,3가 원소를 넣으면 정공이 많아져 p형이 됩니다.
농도가 높을수록 전도도가 올라가지만 너무 많이 넣으면 이동도가 떨어진답니다.
안녕하세요. 박재화 전문가입니다.
반도체에 불순물을 아주 조금 넣는 도핑을 하면 전기를 운방하는 전자나 정공의 수를 크게 조절할 수 있습니다.
실리콘에 인이나 비소 같은 5가 원소를 넣어버리면 자유전자가 늘어나 전자가 주된 운반자가 되는 n형 반도체가 되고, 반대로 붕소 같은 3가 원소를 집어넣으면 정공이 늘어나 정공이 주된 운반자가 되는 p형 반도체가 됩니다.
도핑 농도가 높아질수록 보통 전하 운반자의 수가 증가해 전기전도도는 높아지고 저항은 낮아지는 특징이 있습니다. 다만 불순물이 너무 많아질 경우 오히려 전자나 정공이 불순물과 자주 충돌하기 때문에 이동도가 떨어질 수 있는 문제가 있기 때문에 무조건 많이 넣는 것이 좋은 것은 아닙니다.
반도체는 불순물의 종류와 농도를 조절해 전류의 방향과 흐르기 쉬운 정도를 정밀하게 설계 할 수 있습니다.
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
불순물의 첨가는 반도체의 번도성을 폭발적으로 높여 줍니다. 왜냐하면은 순수한 반도체는 전하를 나르는 입자가 매우 부족하기 때문이죠. 그래서 3족이나 5족 원소를 살짝만 넣어줍니다. 그리고 이 불순물들이 전자나 정공을 많이 만들어내기 때문에 전기가 잘 통하는 반도체로 변하게 되는 겁니다.
첨가하는 원소와 농도에 따라서 특성이 크게 달라지는데 5족을 넣으면은 n형, 그리고 3족을 넣으면 p형이 됩니다. 그래서 농도가 높을수록 전기 저항이 급격하게 떨어지죠. 거기다가 너무 많이 넣으면은 오히려 입자끼리 부딪혀서 이동 속도가 줄어들 수도 있습니다. 그러니까 용도에 맞는 정밀한 농도 조절이 핵심인 거죠.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
순수한 진공 상태의 실리콘에 3가 원소나 5가 원소를 소량 첨가하면 자유 전자나 정공 같은 전하 캐리어의 수백~수백만 배 급증하여 전기 전도도가 폭발적으로 상승합니다. 5가 원소를 첨가하면 남는 전자가 많아져 n형 반도체가 되고 3가 원소를 첨가하면 전자가 부족한 빈자리가 생겨 p형 반도체로 변하여 전류를 흘리는 주체가 달라집니다 도핑 농도가 높을수록 캐리어 밀도가 증가하여 저항이 크게 낮아지지만 불순물 농도가 극도로 과도해지면 오히려 불순물 이온과의 충돌로 인해 캐리어의 이동도가 떨어질 수 있습니다. 결과적으로 도핑 원소의 종류는 반도체의 전기적 성질을 결정하고 도핑 농도는 저항과 전류 이동 속도를 정밀하게 제어하여 다이오드나 트랜지스터 같은 반도체 소자의 작동을 가능하게 만듭니다
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
순수한 실리콘은 원자마다 전자 4개로 이웃과 결합하고 있어서, 상온에서 자유롭게 움직이는 전자가 1cm³당 약 100억 개밖에 없어요. 실리콘 원자 수가 5×10²²개인 걸 생각하면 부도체에 가까워요.
여기에 전자가 5개인 15족 원소(인, 비소)를 넣으면 4개는 결합에 쓰이고 남은 1개가 상온의 열만으로도 풀려나 자유전자가 되는데, 이렇게 전자가 주된 운반자인 반도체가 n형이에요. 전자가 3개인 붕소 같은 13족 원소를 넣으면 결합 자리 하나가 비고, 옆 전자가 빈자리로 옮겨 가며 빈자리가 양전하처럼 움직여요. 이 정공이 주된 운반자인 반도체가 p형이에요.
실리콘 원자 100만 개에 불순물 1개만 넣어도 운반자 수가 수백만 배 늘어 전도도가 그만큼 높아져요. 그런데 농도가 너무 높으면 이온화된 불순물이 운반자를 산란시켜 이동도가 떨어져요. 전자 이동도는 저농도에서 약 1,400cm²/Vs인데 10¹⁹/cm³ 수준에서는 100 안팎까지 줄어요. 또 전자 이동도가 정공보다 3배쯤 높아서, 같은 조건이면 n형 채널 소자가 더 빠르게 동작해요 :)