(기초 물리)반도체란 무엇일까? 반도체의 정의, 진성 반도체와 외인성 반도체, n형 반도체와 p형 반도체

도체(Conductor), 부도체(Insulator), 반도체(Semiconductor)

 
: 물체를 이루는 물질은 여러 가지 기준으로 분류할 수 있다. 전기적인 현상의 관점에서는 물질을 통해 전류가 얼마나 잘 흐르는지에 따라 분류할 수 있다. 저항률이라고도 불리는 비저항은 물질이 전류의 흐름에 얼마나 세게 맞서는지 측정한 물리량이다. 철, 구리와 같은 금속이나 흑연은 비저항이 작아 비교적 낮은 전압에 의해서 전류가 흐른다. 이러한 물질을 도체(Conductor)라고 부른다. 반면 유리, 플라스틱, 고무 등은 비저항이 커서 비교적 작은 전압에 의해 전류가 흐르지 않는다. 이러한 물질을 절연체 또는 부도체(Insulator)라 부른다.
 
 왜 이런 차이점이 있는 것일까? 도체인 금속은 양이온과 자유전자로 이루어져 있기 때문이다. 금속은 2~4개의 최외각 전자를 가지는데, 이 최외각 전자들은 중앙의 양성자가 당기는 힘에 비해 거리가 멀어서 쉽게 떨어진다. 떨어져 나간 전자는 자유전자라고 부르며 원자핵 사이사이를 자유롭게 이동한다.반면 부도체(절연체)로 분류되는 물질의 경우 전자들이 원자핵에 의해 비교적 강하게 잡혀 있다. 따라서 외부에서 전압을 걸어주어도 전자가 이동하지 않으므로 전류가 흐르지 않는다.
 
 반도체(Semiconductor)는 도체와 부도체 사이의 전도성을 갖고 있는 물질을 통칭한다. 이 중에 저마늄(Germanium, Ge)이나 실리콘(Silicon, Si) 결정과 같이 4개의 원자가전자로 공유 결합하고 있는 반도체를 진성 반도체(Intrinsic semiconductor)라 부른다. 14족 원소인 순수한 저마늄이나 실리콘의 경우 절연성 재질이지만, 13족이나 15족을 적당한 농도로 화학적으로 섞어 14족 원소와 결합하면 도전율이 높아진다. 이러한 도핑 과정(Doping)을 통해 진성 반도체에 불순물을 첨가하여, 전기적 성질이 불순물에 의해 특정 지어진 반도체를 불순물 반도체 또는 외인성 반도체(Extrinsic semiconductor)라 부른다.
 
 반도체 내에서 전하를 운반하는 것을 반송자 혹은 이동자라고 하며 주로 캐리어(Carrier)라 불린다. 캐리어 종류는 전자(electron)과 정공(hole)으로 나뉜다. 전자는 음전하를 가진 캐리어이고, 정공은 전자가 빠져나간 빈 곳을 의미하며 마치 양전하를 가진 입자와 같이 동작한다. 다수 캐리어(majority carrier)는 반도체 내에 많이 존재하는 캐리어를 뜻하며, 소수 캐리어(minority carrier)는 상대적으로 적게 존재하는 캐리어를 의미한다.
 
 

 

p형 반도체

 
: p형 반도체는 다수 캐리어로 정공(hole)을 사용하는 반도체다. 불순물을 첨가하여 전자가 빠져나가고 남은 공간인 정공을 만들어 주고, 이 정공을 통해 전자를 이동시킴으로써 전류를 흐르도록 한다. 즉 양의 전하를 가지는 정공이 캐리어 역할을 하기 때문에 positive 형 반도체라 부른다. p형 반도체를 생성하기 위해선 14족 원소인 실리콘 단결정(순수 반도체)에 최외각 전자가 3개인 붕소, 알루미늄 등 13족 원소를 불순물로 넣어주면 된다. 최외각 전자가 4개인 원소와 3개인 원소가 섞이기 때문에 전체적으로는 평균적으로 4개의 최외각 전자를 가지나, 일부가 3개로 정공이 하나씩 포함되어 있는 p형 반도체가 된다.
 
 

n형 반도체 

: n형 반도체는 다수 캐리어로 자유전자(electron)를 사용하는 반도체다. 음전하를 가지는 전자가 캐리어 역할을 하기 때문에 negative 형 반도체라 부른다. 14족 원소인 실리콘 단결정(순수 반도체)에 최외각 전자가 5개인 인, 비소 등 15족 원소를 불순물로 첨가하면 실리콘 원자와 공유결합 후 전자가 남는 상태, 즉 잉여 전자가 생긴다. 이 상태에서 실리콘 결정에 전압을 걸어주면 제자리를 못 찾은 잉여 전자는 자유전자가 되어 전류가 흐른다.