안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
순수한 실리콘은 원자들이 전자 4개를 서로 공유하며 단단하게 결합되어 있어 전기가 거의 흐르지 않습니다. 하지만 여기에 13족이나 15족 원소를 섞는 도핑을 하면 전하를 옮겨주는 운반체가 생겨 전기 전도성이 비약적으로 높아집니다.
먼저 15족 원소를 섞으면 실리콘과 결합하고 남은 전자 하나가 자유 전자가 됩니다. 이 전자는 에너지 밴드 구조상 전도대 바로 아래에 새로운 에너지 준위를 형성하여, 아주 적은 에너지만으로도 전도대로 올라가 자유롭게 이동하며 전류를 흐르게 합니다. 이를 N형 반도체라고 부릅니다.
반대로 13족 원소를 섞으면 전자가 하나 부족해지면서 빈자리가 생기는데, 이를 정공이라고 합니다. 에너지 밴드 관점에서는 가전자대 바로 위에 새로운 에너지 준위가 만들어진 것과 같습니다. 가전자대의 전자가 이 빈자리로 쉽게 올라가면서 가전자대에는 전하를 옮길 수 있는 정공들이 생겨나고, 이 정공들이 마치 플러스 전하처럼 움직이며 전기를 전달합니다. 이를 P형 반도체라고 합니다.
결국 도핑은 실리콘의 에너지 밴드 간격 사이에 전자가 이동하기 쉬운 징검다리를 놓아주는 것과 같습니다. 인위적으로 자유 전자나 정공이라는 운반체를 만들어줌으로써 전류가 원활하게 흐를 수 있는 길을 열어주는 원리입니다. 이 과정을 통해 실리콘은 우리가 원하는 대로 전기를 조절할 수 있는 반도체로서의 성질을 갖게 됩니다.