N 타입 반도체란 무엇인가요?

N 유형 반도체란 무엇인가요?

N 유형 반도체 정의

N 유형 반도체는 자유 전자를 추가하여 전도성을 증가시키기 위해 오발성 불순물을 도핑한 반도체 유형입니다.

N 유형 반도체를 이해하기 전에 기본 원자 과학에 집중해야 합니다. 원자는 가장 바깥쪽 궤도인 발렌스 전자로 8개의 전자를 가지려고 합니다. 모든 원자가 이를 달성하지는 않지만, 이 안정적인 구조를 달성하려고 노력합니다.

원자의 가장 바깥쪽 궤도에 있는 전자는 발렌스 전자라고 합니다. 만약 원자의 가장 바깥쪽 궤도에 8개의 전자가 없다면, 궤도에서 부족한 전자의 수만큼 빈 공간이 생깁니다. 이러한 빈 공간은 항상 8개의 전자를 채우기 위해 전자를 받아들일 준비가 되어 있습니다.

가장 일반적으로 사용되는 반도체는 실리콘과 게르마늄입니다. 실리콘은 2, 8, 4의 전자 배열을 가지고 있으며, 게르마늄은 2, 8, 18, 4의 전자 배열을 가지고 있습니다. 두 반도체 모두 가장 바깥쪽 궤도에 4개의 전자를 가지고 있어, 4개의 전자를 더 받아들일 수 있는 빈 공간이 있습니다.

실리콘이나 게르마늄의 네 개의 발렌스 전자는 인접한 원자와 공유 결합을 형성하여 빈 공간을 채웁니다. 이상적으로, 반도체 결정체의 모든 발렌스 전자는 공유 결합에 참여하므로 결정체 내에는 자유 전자가 없어야 합니다.

하지만 실제로는 그렇지 않습니다. 절대 영도에서는 결정체 내에 자유 전자가 없지만, 온도가 절대 영도에서 실온으로 상승하면, 공유 결합에 있는 발렌스 전자들이 열적으로 자극되어 결합에서 벗어나 자유 전자를 생성합니다. 이러한 자유 전자들은 절대 영도보다 높은 어떤 온도에서도 반도체 재료의 전도성을 일으킵니다.

절대 영도보다 높은 온도에서 반도체의 전도성을 증가시키는 방법이 있습니다. 이 방법을 도핑이라고 합니다. 이 방법에서는 순수하거나 본질적인 반도체에 안티모니, 아르세닉, 인 등의 오발성 불순물을 도핑합니다. 이러한 불순물 원자는 결정체 내의 일부 반도체 원자를 대체하고 그 위치를 차지합니다. 불순물 원자는 외부 궤도에 5개의 발렌스 전자를 가지고 있으며, 이 중 4개는 인접한 반도체 원자와 공유 결합을 형성합니다.

불순물 원자의 한 발렌스 전자는 공유 결합에 참여할 기회가 없으며, 부모 불순물 원자와 느슨하게 결합됩니다. 실온에서, 이러한 느슨하게 결합된 다섯 번째 발렌스 전자는 열적 자극으로 인해 자신의 위치에서 벗어날 수 있습니다.

이 현상으로 인해 상당한 수의 자유 전자가 생성되지만, 여전히 실온에서 열적 자극으로 인해 결정체 내에서 공유 결합이 파괴됩니다. 반도체-반도체 및 반도체-불순물 공유 결합의 파괴로 인해 생성된 자유 전자와 함께 결정체 내의 전체 자유 전자 수가 증가합니다.

반도체-반도체 공유 결합이 파괴될 때마다 자유 전자가 생성되면, 파괴된 결합에서 빈 공간이 생성됩니다. 이러한 빈 공간은 구멍이라고 합니다. 각각의 구멍은 하나의 전자가 부족하여 생성되기 때문에 양전하의 역할을 합니다. 여기서 전자는 주요 이동 전하 운반체입니다. N 유형 반도체에서는 자유 전자와 구멍이 모두 존재합니다.

그러나 구멍의 수는 자유 전자의 수보다 훨씬 적습니다. 구멍은 반도체-반도체 공유 결합의 파괴로만 생성되며, 자유 전자는 불순물 원자의 느슨하게 결합된 비결합 다섯 번째 발렌스 전자와 반도체-반도체 공유 결합의 파괴로 생성되기 때문입니다.

따라서, N 유형 반도체에서는 자유 전자의 수 >> 구멍의 수입니다. 이것이 바로 N 유형 반도체에서 자유 전자가 다수 전하 운반체, 구멍이 소수 전하 운반체로 불리는 이유입니다. 음전하를 가진 전자가 주로 이 반도체를 통해 전하를 전달하기 때문에, 이를 음의 유형 또는 N 유형 반도체라고 합니다. 결정체 내에 많은 자유 전자가 있지만, 전체 양성자 수와 전체 전자 수가 같기 때문에 전기적으로 중성입니다.