학문
수려한집게벌레191
실리콘(Si) 결정에 13족(붕소)이나 15족(인) 원소를 소량 섞어 전기 전도성을 조절하는 '도핑' 과정이 무엇인가요?
실리콘(Si) 결정에 13족(붕소)이나 15족(인) 원소를 소량 섞어 전기 전도성을 조절하는 '도핑' 과정이 무엇인지, 원자가 전자의 개수 차이에 의한 정공(hole) 생성과 자유 전자 형성 원리가 궁금합니다.
2개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
실리콘 결정에 다른 원소를 섞어 전기적 성질을 바꾸는 도핑은 반도체 공학의 핵심적인 원리입니다. 순수한 실리콘은 원자가 전자가 4개인 14족 원소로, 주변 실리콘 원자들과 서로 전자를 공유하며 견고한 공유 결합 구조를 이루고 있습니다. 이 상태에서는 전자가 결합에 묶여 있어 자유롭게 움직일 수 없으므로 전류가 거의 흐르지 않습니다.
여기에 원자가 전자가 5개인 15족 원소인 인을 아주 소량 섞으면 엔형 반도체가 만들어집니다. 인 원자는 실리콘 원자들과 4개의 전자를 공유하며 결합하지만, 원래 가지고 있던 5개의 전자 중 하나가 갈 곳을 잃고 남게 됩니다. 이 남는 전자는 결합에 참여하지 않기 때문에 아주 작은 에너지만으로도 원자로부터 떨어져 나와 결정 내부를 자유롭게 이동할 수 있는 자유 전자가 됩니다. 이렇게 늘어난 자유 전자가 전하를 운반하는 역할을 하여 전기 전도성이 비약적으로 높아집니다.
반대로 원자가 전자가 3개인 13족 원소인 붕소를 섞으면 피형 반도체가 됩니다. 붕소는 주변 실리콘 원자들과 결합하기에 전자가 하나 부족한 상태입니다. 이 때문에 공유 결합 구조 안에 전자가 비어 있는 구멍이 생기는데, 이를 정공이라고 부릅니다. 이 정공은 인접한 다른 전자를 끌어당겨 채우려는 성질이 있으며, 전자가 정공으로 이동하면 원래 전자가 있던 자리에 다시 새로운 정공이 생기게 됩니다. 결과적으로 정공이 마치 양전하를 가진 입자처럼 결정 속을 이동하며 전류를 흐르게 하는 매개체 역할을 수행합니다.
결국 도핑은 인위적으로 전자나 정공의 불균형을 만들어내는 과정입니다. 15족 원소는 넘치는 전자를 제공하여 자유 전자를 형성하고, 13족 원소는 부족한 자리를 만들어 정공을 형성함으로써 부도체에 가깝던 실리콘을 전기가 잘 통하는 반도체로 탈바꿈시키는 원리라고 이해할 수 있습니다. 이러한 미세한 전자 개수의 차이가 현대 전자 기기를 작동시키는 논리 회로의 근간이 됩니다.
채택 보상으로 257베리 받았어요.
채택된 답변안녕하세요.
실리콘 반도체에서의 도핑이란 순수한 실리콘 결정에 극소량의 다른 원소를 섞어 전하 운반자의 수를 조절함으로써 전기 전도성을 바꾸는 과정인데요, 이때 첨가되는 원소의 원자가 전자 수 차이가 실리콘의 공유결합 구조에 미세한 불균형을 만들고 결과적으로 자유 전자나 정공이 생성된다는 점에 있습니다.
우선 순수한 실리콘은 4가 원소로, 각 원자가 주변의 다른 실리콘 원자 4개와 공유결합을 이루어 매우 안정한 결정 구조를 형성하는데요, 다만 이 상태에서는 결합에 참여하지 않는 자유 전자가 거의 없기 때문에 전기 전도성이 낮습니다. 그런데 여기에 13족 원소인 붕소를 도핑하는 경우에 붕소는 원자가 전자가 3개이기 때문에 실리콘 결정 속에서 4개의 결합 자리를 모두 채우지 못하고 하나의 결합이 비어 있는 상태가 됩니다. 이 빈자리는 전자가 없는 자리인 정공으로 작용하며, 주변 결합에서 전자가 이동해 오면 그 자리에 있던 전자가 다시 다른 자리로 이동하는 방식으로 정공이 마치 양전하처럼 이동하게 됩니다. 결과적으로 전류는 이 정공의 이동으로 흐르게 되며, 이런 반도체를 p형 반도체라고 합니다.
반대로 15족 원소인 인을 도핑하면, 인은 원자가 전자가 5개이기 때문에 4개의 공유결합을 형성하고도 전자 하나가 남게 되며, 이 여분의 전자는 결합에 강하게 묶여 있지 않아 비교적 쉽게 결정 내를 자유롭게 이동할 수 있는 자유 전자가 됩니다. 이처럼 전자가 주요 전하 운반자로 작용하는 반도체를 n형 반도체라고 합니다. 에너지 관점에서 보면, 붕소는 가전자대 근처에 전자 하나를 받을 수 있는 준위를 만들어 정공 생성을 유도하는 것이고, 인은 전도대 근처에 전자 하나를 쉽게 내놓을 수 있는 준위를 형성하여 자유 전자를 증가시키는 것입니다. 감사합니다.