반도체에서의 불순물첨가란? (n-type과 p-type) - 1

오늘은 반도체의 불순물에 대해서 이야기 해보려고 합니다.

오늘날 우리가 일반적으로 사용하고 있는 재료물질들 중에서 가장 높은 순도를 가지고 있는 물질 중 하나가 반도체입니다.

반도체 기판물질인 실리콘(Si)의 경우에는 무려 

9가 11개!, Eleven Nine

의 순도를 가지고 있는 기판이 실용화 되고있습니다.

100억개 중 하나가 다른 물질이 섞여있을 확률 이네요. 지상 최고의 파이터 60억분의 1 효도르를 뛰어 넘는 확률 입니다.

하지만, 순수한 반도체물질은 매우 작은 캐리어 밀도를 가지고 있는데요, 여기서 캐리어란 전하를 옮길 수 있는 '운반자'라고 생각하시면 됩니다. 음전하의 캐리어는 전자(Electron), 양전하의 캐리어는 정공(Electron Hole, Hole)이라고 하는데, 이 정공은 실제 입자가 아닌 '비어 있는 전자 준위', '전자가 위치 할 수 있는 자리'라고 생각 하시면 됩니다. 이 정공은 전자와는 반대준위의 이동을 하게 되는데, 이가 바로 양전하 캐리어로써의 역할로써 보이게 됩니다. 

에너지밴드구조와 전자의 전이에 따른 캐리어의 생성

하나의 전자가 전이 할 때 캐리어는 전자와 정공, 2개가 쌍으로 생성됩니다.

반도체에서의 캐리어 밀도는 얼마나 많은 양의 전하를 단시간내에 움직일 수 있는가, 즉 소자로 보면 얼마나 많은 양의 정보를 단시간내에 전송할 수 있는가, 결국 '얼마나 빠른가'로 귀결되는 양이기 때문에 중요합니다.

순수한 반도체에서 캐리어 밀도가 작은 이유는 가전자밴드와 전도밴드간의 에너지 차인 밴드갭과 주변의 열로 부터 얻을 수 있는 에너지의 비교로 부터 잘 알 수 있습니다.

실리콘은 상온 300K의 온도에서 약 1.1eV의 에너지 갭을 가지고 있는데 반해, 전자는 평균적으로 0.026eV의 에너지 밖에 지니지 않고 있습니다. 그래서 300K의 온도에서 1.1eV이상의 에너지를 갖고 있는 전자의 수는 극소량이 되는 것이죠.  이 전자의 개수는 각설탕만한 크기(1cm^3)에

개

정도 됩니다. '그 작은 공간에 그렇게 많이 들어 있어?'라고 생각 될지도 모르지만, 같은 각설탕크기에 실리콘원자는

개

가전자밴드에 있는 전자의 개수는 실리콘원자 하나당 4개의 전자를 가지게 되므로,

개

나 들어 있습니다. 이는 가전자밴드에 존재하는  모든 전자 중에서 

만이 전하를 옮길 수 있다, 아니, 전체적으로 봤을때 거의 전하를 옮길 수 없다는 것을 뜻합니다.

그러면, 이러한 '캐리어 밀도'를 크게 하는데는 어떤 방법이 있을까요?

보통 반도체 소자가 일반적으로 동작 하는 온도는 실온의 일정한 상태로 가정을 한 상태에서요.

그 답이 바로 순수한 반도체 물질(진성반도체)에 '불순물 첨가'를 하는 과정 입니다.