안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
순수한 규소로만 이루어진 웨이퍼, 즉 순수 반도체는 결정이 전기를 거의 통하지 않다가, 불순물을 아주 극미량만 섞어도 전도성이 폭발적으로 증가하는 현상은 도핑이라는 핵심 기술 때문입니다. 이와 관련하여 설명해 드릴게요.
규소는 원자가 전자가 4개로 순수한 규소 결정 속에서 각 규소 원자는 인접한 4개의 다른 규소 원자들과 최외곽 전자를 1개씩 나누어 가지며 4개의 완벽한 공유 결합을 형성합니다. 전기가 통하려면 자유전자 있어야 하는데, 순수 규소는 모든 전자가 꽁꽁 묶여 있어 상온에서 움직일 수 있는 자유 전자가 거의 없어 부도체에 가깝게 동작합니다.
하지만, 여기에 원자가 전자가 5개인 15족 원소 인이나 비소를 극미량 도핑하면, 인 원자가 규소 원자의 자리를 꿰차고 들어가면, 5개의 전자 중 4개는 주변 규소 원자 4개와 공유 결합을 맺지만 1개의 전자가 짝을 찾지 못하고 남게 됩니다. 남은 1개의 전자가 쉽게 원자에서 튕겨 나와 자유롭게 움직일 수 있어 전압이 걸렸을 때 전류를 흘려보내는 역할을 합니다. 음의 전하를 띤 전자가 주된 운반자이므로 이를 N형 반도체라고 부릅니다.
그리고, 원자가 전자가 3개인 13족 원소 붕소나 갈륨을 극미량 도핑하면, 붕소 원자가 규소 자리에 들어가면, 전자가 3개뿐이라 주변 규소 원자 4개와 결합할 때 전자 1개가 모자라는 빈자리가 발생한느데 이를 양공이라고 부릅니다. 이 빈자리는 옆에 있는 전자이동하면서 원래 전자가 있던 자리가 다시 새로운 양공이 되어, 마치 양(+)의 전하를 띤 구멍이 스스로 움직이는 것과 같은 효과가 나타납니다. 양공이 전자를 계속 이동시키면서 전류가 잘 흐르게 되고, 양의 성질을 띠는 양공이 주된 운반자이므로 이를 P형 반도체라고 부릅니다.