n형 반도체와 p형 반도체는 전기적 중성이다?!...!

정공이 다수캐리어인 p형 반도체(흰 점으로 표시된 것이 정공입니다)와 전자가 다수캐리어인 n형 반도체(검정 점으로 표시된 것이 전자입니다)가 한 면에서 만났습니다. 만나기 전에는 각각의 다수캐리어들은 균일하게 분포하여 있었습니다. 물론 이온화된 도너 또는 억셉터도 균일하게 분포하여 있으며, 각각의 반도체는 전기적으로 중성인 상태입니다. (p형 반도체에서는 음이온과 정공의 수가 같고, n형 반도체에서는 양이온과 전자의 수가 같으므로 전기적으로는 중성입니다) 그러다가 한 면에서 두 반도체가 만나면 접합면 부근의 정공(p형 반도체의 다수캐리어)과 전자(n형 반도체의 다수캐리어)가 서로 끌려 오다가 만나겠지요. (이때, 이온화된 도너나 억셉터는 움직이지 않고 고정되어 있음에 유의하세요)

 

 

 

정공과 전자가 만나면 어떻게 될까요? 그냥 없어집니다. (정공은 전자의 빈자리이므로 전자를 만나면 빈자리가 채워지는 셈이므로 아무것도 남지 않겠지요) 이것을 전자와 정공의 재결합이라고 부릅니다. 전자와 정공의 재결합이 일어나면 재미있는 현상이 벌어지게 됩니다. 차근차근 이해해 보도록 합시다.

 

전자와 정공은 혼자서 저절로 생겨난 것이 아니라, 반드시 그 자리에 양이온과 음이온을 생성한다고 했지요. (n형 반도체는 도너를 이온화시키면서 전자가 전도대로 올라가는 것임을 기억하세요, p형 반도체는 억셉터를 이온화시키면서 정공이 가전자대에 생성되는 것이고요) 전자와 정공이 재결합한 자리에는 음이온(p형 반도체)과 양이온(n형 반도체)만 남게 됩니다.

접합이 이루어지기 전에는 각 반도체 내에는 다수캐리어와 불순물(도너 또는 억셉터) 이온이 같은 수로 있어 전기적으로 중성이었는데, 접합이 이루어진 후에는 접합면 부근 다수캐리어들이 재결합을 이루며 소멸하여, 그 부분에는 이온들만 존재하게 되므로 전기적 중성이 깨지게 됩니다. 이렇게 다수캐리어들이 재결합으로 소멸한 접합면 부근의 영역을 공핍층(depletion layer, 다수캐리어가 없어졌으므로)이라고 부르고, 결과적으로 전기적 중성이 깨져서 전하를 띠게 되므로 공간전하영역(space charge layer)이라고도 부릅니다.

출처: https://amkorinstory.com/756 [앰코인스토리]

 

 

반도체에서는 진성 반도체(intrinsic semiconductor)와 진성 반도체의 단결정에 미량의 불순물 은 혼합한 불순물 반도체(extrinsic semiconductor)가 있다. 또, 불순물 반도체에는 그 불순물의 종류에 따라 각각 다른 성질을 나타내는 p형 반도체와 n형 반도체가 있고, 이를 모두가 진성 반도체보다 도전성이 높다.

 

그림 1-38 n형 반도체의 결정 구 조 그림 1-39 n형 반도체의 에너지 대 구조 그림 1-38과 같이 4가의 규소(Si) 원자에 안티몬(Sb)과 같은 5가의 원자를 미량혼합하면, 결정 의 모양은 변하지 않으나 일부의 규소 원자가 있던 위치에 안티몬의 원자로 바뀌어 놓여져서, 5개의 가전자 중 4개는 원래의 규소와 결합할 수가 있다. 그러나 1개의 전자는 남게 되며, 이것 을 과잉 전자(excess electron)라 한다. 이 과잉 전자를 만드는 불순물을 도너(dunor)라 하고, 그 준위를 도너 준위(donor level)라 한다. 그림 1-39에 나타낸 바와 같이 과잉 전자는 근소한 에너 지를 받으면, 전도대로 올라가서 전도 전자가 되는 한편, 먼저의 도너 원자는 양이온이 된다. 이 와 같이 반송자의 대부분이 전자인 반도체를 n형 반도체(n-type semiconductor)라 한다.

 

그림 1-40 p형 반도체의 결정 구조 그림 1-41 p형 반도체의 에너지대 구조 과학,교육,과학교육 반도체의 종류와 성질 그림 1-40과 같이, n형 반도체에 쓰인 5가의 불순물 원소 대신 에 갈륨(Ga)과 같은 3가의 원소 를 미량 혼합하면, 갈륨의 가전자는 3개밖에 없으므로 규소과 결합하기에는 전자 1개가 부족하 여 정공이 생기므로, 불순물 반도체 대부분의 반송자는 정공이 된다. 이와 같이 정공을 만들기 위한 불순물을 억셉터(acceptor)라 하며, 대부분의 반송자가 정공인 불순물 반도체를 p형 반도 체라 한다. 그림 1-41은 p형 반도체의 에너지대 구조를 나타낸 것으로, 충만대보다도 조금 높 은 곳에 새로운 억셉터 준위(acceptor level)가 있게 된다. 따라서, 상온에서도 충만대의 전자는 억셉터 준위로 올라가며, 충만대에는 정공이 생겨 이것이 반송자가 된다. 이 때, 억셉터 원자는 음이온이 된다. 앞에서 설명한 반도체의 도전성에 대해 정리하면 다음과 같다.

 

(ㄱ) 진성 반도체의 반송자는 같은 수의 전자와 정공으로 한다.

(ㄴ) n형 반도체의 반송자는 대부분 전자이고 정공은 소수이다.

(ㄷ) p형 반도체의 반송자는 대부분 정공이고 전자는 소수이다.

 

이들의 경우, 전자와 정공 중에서 많은 편의 반송자를 다수 반송자(majority carrier)라 하고, 적 은 편의 반송자를 소수 반송자(minority carrier)라 한다. -------------------------------------------------------------------------

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반도체의 종류와 성질