18.11 외인성 반도체

외인성 반도체_{extrinsic semiconductor}

실질적으로 사용되는 모든 상용 반도체는 외인성 반도체이다. 외인성 반도체는 ‘불순물 반도체’라고도 하며, 불순물을 도핑하여 만들 수 있다.

불순물 반도체는 초기에 극히 순수한, 보통 전체 불순물의 양이 10^-7at% 정도가 함유된 재료로 만든다. 이 후 여러가지 방법을 이용하여 원하는 도너 또는 억셉터 불순물을 원하는 양만큼 첨가시킨다. 이러한 과정을 도핑(doping)이라고 한다.

외인성 반도체는 상온에서 상당히 높은 전기 전도율을 가지며, 대부분의 반도체 재료는 상온에서 작동되는 전자 소자 형성에 이용된다.

아래의 설명은 원소 반도체(Si)를 기준으로 합니다. 화합물 반도체의 경우는 링크를 참고해주세요.

n-형 외인성 반도체

5A족 원소전자 공여체, donor를 도핑하여 만들어진 반도체

• 불순물에 속해 있는 5개의 가전자 중 4개의 전자만이 주위의 원자들과 결합한다.
• 전자가 불순물 원자에서 쉽게 떨어져 자유 전자 또는 전도 전자가 된다.
• 실온에서 대부분의 전자 공여체가 이온화된다.
• 전자의 양이 양공의 양에 비해 매우 많다.(n≫p)
• 공여된 전자가 전기적 특성을 결정한다.

$σ≒n \vert e \vert μ_e$

n-형 외인성 반도체의 에너지 밴드 모형

• 느슨하게 결합된 각 전자는 전도대의 하단(E_c) 바로 아래 에너지 밴드 갭(E_g) 내에 있는 하나의 에너지 준위를 점유한다.
• 전자의 결합 에너지는 불순물 에너지 준위에 있는 전자를 전도대 에너지 준위로 여기시키는 데 필요한 에너지와 같다.
• 매우 여기되기 쉽다.
• 도너 전자(donor electron)는 불순물 에너지 준위로부터 공급되므로 도너 자유 전자의 형성은 가전자대에 양공을 만들지 않는다.

p-형 외인성 반도체

3A족 원소전자 수용체, acceptor를 도핑하여 만들어진 반도체

• 각 불순물 원자 주위의 공유 결합 중 하나는 전자가 결핍되어 있다.
• 결핍은 불순물 원자에 약하게 결합된 정공으로 여겨지며, 인접한 결합으로부터 전자가 이동해 옴으로써 자유롭게 이동할 수 있다.
• 실온에서 대부분의 전자 수용체가 이온화된다.
• 양공의 양이 전자의 양에 비해 매우 많다.(p≫n)
• 양공이 전기적 특성을 결정한다.

$σ≒n \vert e \vert μ_h$

p-형 외인성 반도체의 에너지 밴드 모형

• 각 p-형 불순물 원자들은 밴드 갭 내에서 가전자대 상단의 약간 위에 에너지 준위를 도입한다.
• 전자가 열적 여기 현상에 의해 p-형 불순물 전자 준위로 뛰어 올라감으로써 가전자대에 형성된다.
• 천이는 가전자대 내에 정공을 생성시키고, 자유 전자는 생성하지 않는다.
• p-형 반도체의 페르미 준위는 밴드 갭 내에서 억셉터 준위 쪽으로 가까이 위치한다.