순수한 Silicon도 완전한 절연체는 아닙니다. 열에너지를 얻은 일부 전자가 Valence Band에서 Conduction Band로 올라가며 전자와 정공을 만듭니다. 하지만 실제 반도체 소자는 이 자연적인 Carrier만으로는 원하는 전도성을 만들기 어렵습니다.
그래서 소량의 불순물을 넣어 전자 또는 정공 농도를 의도적으로 조절합니다. 이것이 Intrinsic과 Extrinsic Semiconductor를 나누는 출발점입니다.
핵심부터 말하면
- Intrinsic Semiconductor(진성 반도체): 의도적인 도핑이 없고 열적으로 생성된 전자와 정공 농도가 같음
- Extrinsic Semiconductor(불순물 반도체): Donor 또는 Acceptor를 도핑해 한 종류의 Carrier를 다수 Carrier로 만든 반도체
Intrinsic에서는 n = p = ni이고, Extrinsic에서는 전자와 정공 농도가 달라집니다. 그러나 n형이나 p형도 전체적으로는 전기적 중성을 유지합니다.
Intrinsic Semiconductor에서는 Carrier가 어디서 생길까
완전한 결정의 Valence Band는 낮은 온도에서 전자로 채워져 있고 Conduction Band는 비어 있습니다. 온도가 올라가면 일부 전자가 Bandgap 이상의 에너지를 얻어 Conduction Band로 전이할 수 있습니다.
이때 Conduction Band에는 자유전자 하나가 생기고 Valence Band에는 빈자리인 정공 하나가 남습니다. 따라서 열적으로 생성되는 전자와 정공의 수는 같습니다.
n = p = ni
ni는 Intrinsic Carrier Concentration이며 재료의 Bandgap과 온도에 강하게 의존합니다. 전자와 정공은 계속 생성되고 재결합하지만 열평형에서는 평균 농도가 일정하게 유지됩니다.
Intrinsic Fermi Level Ei는 보통 Bandgap 중앙 근처에 있지만, 전도대와 가전자대의 Effective Density of States 차이 때문에 정확한 중앙과 약간 다를 수 있습니다.
Extrinsic Semiconductor는 왜 만들까
회로를 만들려면 Carrier 농도와 저항, PN Junction 위치를 원하는 대로 제어해야 합니다. 순수한 Silicon에 매우 적은 양의 불순물을 넣는 Doping을 사용하면 결정 전체를 바꾸지 않고 전도성을 크게 조절할 수 있습니다.
도핑 원자는 Silicon 격자의 일부 자리를 대신하며 전자를 쉽게 내놓거나 받아들일 수 있는 Energy Level을 만듭니다.
Donor가 들어가면 왜 n형이 될까
Silicon보다 최외각 전자가 하나 많은 원소가 치환되면 네 개의 전자는 공유결합에 참여하고 남은 전자 하나는 비교적 작은 에너지로 Conduction Band에 올라갈 수 있습니다. 이런 불순물을 Donor라고 합니다.
Donor가 전자를 내놓으면 움직일 수 있는 전자가 증가하고 Donor 원자는 양전하 이온으로 남습니다.
- Majority Carrier: 전자
- Minority Carrier: 정공
- Fermi Level: Conduction Band 쪽으로 이동
전자 농도가 많다고 해서 n형 반도체 전체가 음전하를 띠는 것은 아닙니다. 자유전자와 양전하 Donor Ion을 함께 세면 전체 전하는 거의 중성입니다.
Acceptor가 들어가면 왜 p형이 될까
Silicon보다 최외각 전자가 하나 적은 원소는 공유결합 하나를 채우기 위해 주변 Valence Band의 전자를 받아들일 수 있습니다. 그 결과 Valence Band에는 이동 가능한 정공이 생깁니다. 이런 불순물을 Acceptor라고 합니다.
Acceptor는 전자를 받은 뒤 음전하 이온이 되고 정공이 다수 Carrier가 됩니다.
- Majority Carrier: 정공
- Minority Carrier: 전자
- Fermi Level: Valence Band 쪽으로 이동
도핑하면 Minority Carrier는 사라질까
n형에도 정공이 있고 p형에도 전자가 있습니다. 열평형의 비축퇴 반도체에서는 Mass Action Law가 성립합니다.
n × p = ni²
Donor 도핑으로 n이 증가하면 p는 감소하고, Acceptor 도핑으로 p가 증가하면 n이 감소합니다. Minority Carrier 농도는 작아지지만 0이 되지는 않습니다.
이 Minority Carrier는 PN Diode, BJT, Photodiode와 재결합 현상을 이해할 때 매우 중요합니다.
온도가 높아지면 구분이 흐려질 수 있다
낮거나 중간 온도에서는 도핑이 Carrier 농도를 지배합니다. 그러나 온도가 충분히 높아져 열적으로 생성되는 ni가 도핑 농도와 비슷해지면 전자와 정공이 함께 증가하고 Intrinsic 거동이 강해집니다.
반대로 매우 낮은 온도에서는 Dopant가 충분히 이온화되지 않는 Freeze-out이 나타날 수 있습니다. 따라서 Extrinsic이라는 분류도 온도 범위와 함께 이해해야 합니다.
정리하면
Intrinsic Semiconductor는 의도적인 도핑 없이 열적으로 생성된 전자와 정공이 같은 농도로 존재합니다. Extrinsic Semiconductor는 Donor나 Acceptor를 넣어 전자 또는 정공을 다수 Carrier로 만든 재료입니다.
n형과 p형의 차이는 전체 전하의 부호가 아니라 어떤 이동 Carrier가 더 많은지에 있습니다. 도핑은 Carrier 농도와 Fermi Level을 조절해 PN Junction과 트랜지스터를 만들 수 있게 하는 핵심 공정입니다.
참고 자료
- Donald A. Neamen, Semiconductor Physics and Devices
- Ben G. Streetman, Sanjay Banerjee, Solid State Electronic Devices
- Robert F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals
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