안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
순수 반도체는 14족 원소들인 실리콘(Si)이나 저마늄(Ge) 같은 준금속 원소로만 구성되어 전기가 거의 통하지 않는 부도체에 가깝습니다. 하지만 여기에 특정 원소를 소량 첨가하는 도핑 과정을 거치면, 내부의 전자 이동이 자유로워 전기 전도성이 좋아 집니다.
이 불순물 원소가 반도체의 전도성에 어떤 영향을 주는지 화학적 결합과 물리적 에너지 띠의 관점으로 나누어 설명해 드릴게요.
순수한 실리콘에 특정 불순물을 첨가하는 도핑은 반도체의 전기적 성질을 변하게 합니다. 먼저 15족 원소를 첨가하면 공유결합 후 남은 과잉 전자가 생겨 전하를 운반하는 n형 반도체가 됩니다. 반면 13족 원소를 첨가하면 전자가 부족해 생긴 빈자리, 즉 양공이 전하를 운반하는 p형 반도체가 됩니다.
물리적 관점에서 불순물은 밴드갭 내에 새로운 에너지 징검다리를 만듭니다. n형은 전도띠 바로 아래에 도너 준위를 형성해 전자가 쉽게 전도띠로 올라가 자유 전자가 되게 합니다. 반대로 p형은 원자가띠 바로 위에 억셉터 준위를 만들어 전자들이 쉽게 이동하게 함으로써 원자가띠에 양공을 대량으로 남깁니다.
결과적으로 두 반도체의 핵심적인 차이는 주된 전하 운반자가 각각 자유 전자(n형)와 양공(p형)이라는 점에 있습니다. 이렇게 만들어진 반도체는 접합을 통해 다이오드, 트랜지스터. 집적회로 등 현대 산업에서 아주 중요한 역할을 하는 반도체 소자를 만듭니다.