반도체의 주입 및 수용 불순물

도핑 정의

도핑은 반도체에 불순물을 첨가하여 전도 특성을 변경하는 과정입니다.

공여 불순물

공여 불순물은 반도체에 첨가되는 오발성 원자로, 자유 전자를 추가하여 n형 반도체를 형성합니다.

n형 반도체

n형 또는 공여 불순물이 반도체에 첨가되면 격자 구조의 금지된 에너지 간격이 좁아집니다. 공여 원자는 전도 대역 바로 아래에 새로운 에너지 수준을 도입합니다. 이러한 수준은 불순물 원자가 멀리 떨어져 있고 상호작용이 최소화되기 때문에 이산적입니다. 독일산에서는 에너지 간격이 0.01 eV이고 실리콘에서는 상온에서 0.05 eV입니다. 따라서 상온에서 공여 원자의 다섯 번째 전자가 전도 대역으로 들어갑니다. 증가한 전자의 수는 적은 수의 홀을 생성합니다.

n형 반도체에서 단위 부피당 홀의 수는 동일한 온도에서 같은 단위 부피의 본질적인 반도체보다 훨씬 낮습니다. 이는 초과된 전자 때문이며, 순수하거나 본질적인 반도체보다 더 높은 비율의 전자-홀 쌍 재결합이 발생합니다.

p형 반도체

오발성 불순물 대신 삼발성 불순물을 본질적인 반도체에 첨가하면, 초과된 전자가 아닌 초과된 홀이 결정 내에서 생성됩니다. 삼발성 불순물을 반도체 결정에 첨가하면, 삼발성 원자는 사발성 반도체 원자를 대체합니다. 삼발성 불순물 원자의 세 개의 발전자들은 인접한 세 개의 반도체 원자와 결합합니다. 따라서 네 번째 인접한 반도체 원자의 한 결합에는 전자가 부족하여 결정에 홀을 제공합니다. 삼발성 불순물이 반도체 결정에 초과된 홀을 제공하고 이러한 홀이 전자를 수용할 수 있으므로, 이러한 불순물은 수용 불순물이라고 합니다. 홀이 실제로 양전하를 가진다고 하므로, 이러한 불순물은 양성형 또는 p형 불순물이라고 하며, p형 불순물이 있는 반도체는 p형 반도체라고 합니다.

삼발성 불순물을 반도체에 첨가하면, 밸런스 대역 바로 위에 이산적인 에너지 수준이 생성됩니다. 밸런스 대역과 이 새로운 에너지 수준 사이의 작은 간격은 소량의 외부 에너지로 전자가 쉽게 더 높은 수준으로 이동할 수 있게 합니다. 전자가 이 새로운 수준으로 이동하면, 밸런스 대역에 공석 또는 홀이 남습니다.

반도체에 n형 불순물을 첨가하면 결정 내에 초과된 전자가 있지만, 이것이 홀이 없음을 의미하지는 않습니다. 반도체의 본질적인 특성상 상온에서 항상 일부 전자-홀 쌍이 존재합니다. n형 불순물을 첨가하면, 전자가 이러한 전자-홀 쌍에 추가되고, 또한 초과된 재결합으로 인해 홀의 수가 줄어듭니다. 따라서 n형 반도체에서는 전체 음전하 운반자 또는 자유 전자의 수가 홀보다 많습니다. 그래서 n형 반도체에서는 전자가 주요 전하 운반자로, 홀은 부차적인 전하 운반자로 알려져 있습니다. 마찬가지로 p형 반도체에서는 홀이 주요 전하 운반자이고, 전자가 부차적인 전하 운반자로 알려져 있습니다.

수용 불순물

수용 불순물은 삼발성 원자로, 반도체에 첨가되어 초과된 홀을 생성하며, p형 반도체를 형성합니다.