내재 실리콘과 외재 실리콘은 무엇인가?

본질 규소와 외부 규소는 무엇인가?

본질 규소

규소는 중요한 반도체 원소입니다. 규소는 IV족 물질입니다. 그 바깥 궤도에는 네 개의 전자가 있으며, 이 전자들은 인접한 네 개의 규소 원자들과 공유 결합을 형성합니다. 이러한 전자는 전기 전도에 사용되지 않습니다. 따라서 0oK에서는 본질 규소가 절연체처럼 행동합니다. 온도가 상승하면 열 에너지로 인해 일부 전자가 공유 결합을 끊습니다. 이렇게 생긴 빈 공간은 전자가 있던 자리의 구멍으로 알려져 있습니다. 즉, 0oK보다 높은 임의의 온도에서 반도체 결정의 일부 전자가 충분한 에너지를 얻어 가상 대에서 전도대로 이동하고, 가상 대에 구멍을 남깁니다. 이 에너지는 실온(300oK)에서 약 1.2 eV이며, 이는 규소의 밴드 갭 에너지와 같습니다.

본질 규소 결정에서는 구멍의 수와 자유 전자의 수가 같습니다. 각 전자가 공유 결합을 떠나면 끊어진 결합에서 구멍이 생성됩니다. 특정 온도에서 열 에너지로 새로운 전자-구멍 쌍이 지속적으로 생성되며, 같은 수의 쌍이 재결합합니다. 따라서 특정 온도에서 특정 부피의 본질 규소에서는 전자-구멍 쌍의 수가 동일하게 유지됩니다. 이는 평형 상태입니다. 따라서 평형 상태에서 자유 전자의 농도 n과 구멍의 농도 p는 서로 같으며, 이는 본질 전하 운반자 농도(ni)입니다. 즉, n = p = ni입니다. 원자 구조는 아래에 표시되어 있습니다.

0oK에서의 본질 규소

실온에서의 본질 규소

외부 규소

본질 규소는 제어된 양의 도핑 물질을 첨가하여 외부 규소로 변환할 수 있습니다. 기증 원자(다섯 번째 원소 군)를 첨가하면 n형 반도체가 되고, 수용 원자(세 번째 원소 군)를 첨가하면 p형 반도체가 됩니다.

본질 규소 결정에 소량의 다섯 번째 원소 군 원소를 첨가한다고 가정해 보겠습니다. 다섯 번째 원소 군의 예는 인(P), 아르세니크(As), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi)입니다. 이들은 다섯 개의 전자를 가지고 있습니다. 이러한 원소들이 규소 원자를 대체하면, 네 개의 전자는 인접한 원자들과 공유 결합을 형성하고, 다섯 번째 전자는 공유 결합에 참여하지 않아 부모 원자에 느슨하게 붙어 있어 쉽게 자유 전자로 떠날 수 있습니다. 규소에서 이러한 목적을 위해 필요한 에너지, 즉 다섯 번째 전자를 방출하는 데 필요한 에너지는 약 0.05 eV입니다. 이러한 불순물은 자유 전자를 규소 결정에 제공하기 때문에 기증자라고 합니다. 전자가 음전하 입자이므로, 이 규소는 n형 또는 음성 규소로 알려져 있습니다.

n형 규소에서는 페르미 에너지 수준이 전도대에 더 가깝게 이동합니다. 여기서 자유 전자의 수는 본질적인 전자 농도보다 증가합니다. 반면에 구멍의 수는 본질적인 구멍 농도보다 감소합니다. 이것은 자유 전자의 농도가 더 많아 재결합의 가능성이 높아지기 때문입니다. 전자는 주요 전하 운반자입니다.

오발렌트 불순물을 첨가한 외부 규소

본질 반도체 결정에 소량의 세 번째 원소 군 원소를 첨가하면, 이러한 원소들이 규소 원자를 대체합니다. 세 번째 원소 군의 예는 AI, B, IN이며, 이들은 세 개의 전자를 가지고 있습니다. 이러한 세 개의 전자는 인접한 원자들과 공유 결합을 형성하며, 구멍을 생성합니다. 이러한 불순물 원자는 수용자라고 알려져 있습니다. 구멍이 양전하로 간주되기 때문에, 이 반도체는 p형 반도체로 알려져 있습니다.

트리발렌트 불순물을 첨가한 외부 규소

p형 반도체에서는 페르미 에너지 수준이 가상대로 더 가깝게 이동합니다. 구멍의 수는 증가하고, 전자의 수는 본질 규소에 비해 감소합니다. p형 반도체에서는 구멍이 주요 전하 운반자입니다.

규소의 본질적 전하 운반자 농도

열 자극으로 인해 전자가 가상대에서 전도대로 이동하면, 두 대역 모두에서 자유 전하 운반자가 생성됩니다. 이러한 운반자의 농도는 본질적 전하 운반자 농도로 알려져 있습니다. 실제로 순수하거나 본질적인 규소 결정에서는 구멍(p)과 전자(n)의 수가 서로 같으며, 이들은 본질적 전하 운반자 농도 ni와 같습니다. 따라서, n = p = ni입니다.

이러한 운반자의 수는 밴드 갭 에너지에 따라 달라집니다. 규소의 경우, 밴드 갭 에너지는 298oK에서 1.2 eV입니다. 온도가 상승함에 따라 규소의 본질적 전하 운반자 농도는 증가합니다. 규소의 본질적 전하 운반자 농도는 다음과 같이 주어집니다,

여기서, T = 절대 온도

300oK에서의 본질적 전하 운반자 농도는 1.01 × 1010 cm-3입니다. 그러나 이전에 받아들여진 값은 1.5 × 1010 cm-3였습니다.