학문
냉철한라마35
실리콘 반도체 제조 시 n형 반도체와 p형 반도체를 만드는 도핑 원리가 궁금해요
순수한 규소(Si) 결정에 15족 원소(인, 비소)나 13족 원소(붕소, 갈륨)를 미량 첨가하여 각각 남는 전자인 자유전자나 정공(Hole)을 만들어 전기가 통하게 하는 반도체 결합 원리가 궁금합니다.
6개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
규소는 원자가 전자 4개로 이웃 원자 넷과 공유 결합을 맺어 전자가 모두 결합에 묶여 있어요. 상온에서 열로 풀려나는 전자는 1cm³에 약 10¹⁰개로, 원자 수 5×10²²개에 비하면 거의 없어서 순수 규소는 전기가 잘 통하지 않아요.
여기에 원자가 전자가 5개인 인을 넣으면 인이 규소 자리를 차지하고 넷은 결합에 쓰고 하나가 남아요. 주변 규소가 인의 양전하를 상당 부분 가려 줘서, 이 전자는 0.045 eV 정도의 약한 힘으로만 붙들려요. 상온 열에너지(0.026 eV)와 크게 차이 나지 않아 거의 모든 인 원자가 이 전자를 내놓고, 인은 움직이지 않는 양이온으로 남아 n형이 돼요.
붕소는 원자가 전자가 3개라 결합 하나에 전자가 비어요. 이웃 결합의 전자가 이 빈자리로 쉽게 옮겨 오면 빈자리가 반대 방향으로 움직이고, 이 빈자리를 양전하 입자처럼 다뤄 정공이라고 불러요. 붕소는 전자를 받아 음이온으로 고정되고 p형이 돼요.
실제 공정에서는 이온 주입으로 불순물을 박아 넣은 뒤 1,000℃ 안팎으로 열처리해 결정 손상을 복구하고 불순물이 규소 자리에 들어가 활성화되게 해요 :)
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채택된 답변안녕하세요.
순수한 실리콘은 원자 하나가 주변 원자 네 개와 결합해 전자를 공유하는 구조를 가지고 있어요. 여기에 인이나 비소처럼 전자가 다섯 개인 원소를 넣으면 결합에 참여하고도 전자 하나가 남아 자유전자가 되기 쉬워지죠. 이렇게 만들어지는 것인 n형 반도체예요.
반대로 붕소처럼 전자가 세 개인 원소를 넣으면 결합에 필요한 전자가 하나 부족해 정공이 생기는데, 이것이 p형 반도체가 돼요. 정공은 실제 입자가 비어 있는 자리지만 전하를 가진 것처럼 움직여요.
이처럼 아주 적은 양의 불순물로 전하 운반자의 수를 조절할 수 있다는 점이 반도체의 핵심 원리라고 볼 수 있죠.
감사합니다.
안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.
순수 실리콘은 전자가 결합에 묶여 전기가 거의 통하지 않습니다.
여기에 15족 원소를 넣으면 남는 전자 1개가 자유전자가 되어 n형 반도체가 되고, 13족 원소를 넣으면
전자가 하나 부족해 빈자리가 생겨 p형 반도체가 됩니다.
안녕하세요. 박재화 전문가입니다.
순수한 실리콘은 각 원자가 주변 원자 4개와 공유결합을 이루어 자유롭게 움직일 전자들이 많지 않습니다.
여기에 인이나 비소처럼 최외각 전자가 5개인 원소를 넣어버리면 결합에 쓰고 남은 전자 1개가 비교적 쉽게 자유전자가 되어 n형 반도체가 됩니다.
반대로 붕소나 갈륨처럼 최외각 전자가 3개인 원소를 넣으면 결합 하나가 비게 되고, 이 빈자리를 정공이라고 부릅니다.주변 전자가 이 빈자리를 계속 메우면서 정공이 이동하는 것처럼 보이기 때문에 p형 반도체에서는 정공이 주요 전하 운자가 됩니다.
도핑 농도를 높이면 자유전자나 정공의 수가 늘어나 전기전도도는 커지지만, 너무 높으면 이동도가 오히려 떨어질 수 있습니다. 결국 15족 도핑은 자유전자를 만들고, 13족 도핑은 정공을 만들어서 실리콘의 전기적 성질을 원하는 방향으로 조절하는 원리라고 보시면 되겠습니다.
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
순수한 규소에 15족 원소를 섞으면은 결국 남는 전자가 생기게 되죠. 그러면 n형 반도체가 만들어집니다. 왜냐하면 규소는 손이 4개입니다. 반면에 15족 원소는 전자가 5개나 들어있죠. 그래서 4개는 주변 규소랑 단단하게 결합할수있지만, 남은 전자 하나는 딱히 붙어 있을 곳이 없어져버리죠. 그래서 이 남은 전자가 물질 속을 돌아다니면서 전기를 통하게 만드는 겁니다.
그리고 반대로 13족 원소를 섞으면 전자가 하나 부족해지죠. 그러면 빈자리인 정공이 생겨나게 됩니다. 왜냐하면 13족은 전자가 3개뿐이죠. 그래서 규소와 결합할때 손 하나가 비어버리게 되기 때문입니다. 그래서 주변에 있는 다른 전자가 그 빈자리를 채우러 들어오게 됩니다. 거기다가 전자가 자꾸 이동하면서 비어있는 자리가 마치 움직이는 양전하처럼 작용합니다. 그렇게 전류가 흐르게 만들어 주는 거죠.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
순수한 규소 결정은 4개의 원자가전자로 단단한 공유결합을 이루어 전기가 잘 통하지 않지만, 미량의 불순물을 첨가하는 도핑을 통해 자유롭게 이동하는 전하 캐리어를 만들어 전기가 통하게 제어할 수 있습니다. 15족 원소인 인이나 비소를 첨가하는 n형 반도체는 규소와 결합하고 남는 1개의 여유 전자가 자유전자가 되어 음전하를 운반하게 됩니다. 반대로 13족 원소인 붕소나 갈륨을 첨가하는 p형 반도체는 전자가 하나 부족해 전자가 들어갈 수 있는 빈자리인 정공이 형성되어 양전하 캐리어 역할을 수행합니다 이렇게 인위적으로 과잉된 자유전자와 정공은 전기장 속에서 원활한 전하 이동을 유도하여 반도체가 전류를 흘리도록 만드는 핵심적인 전도 메커니즘을 제공합니다 결국 이 두 가지 특성을 결합한 p-n 접합 구조는 현대 전자 회로의 모든 반도체 소자가 작동하는 근본적인 원리가 됩니다