반도체 정의와 분류 및 기초

1. 반도체 정의

 반도체에 대한 정의를 복습해보면, 반도체란 '반도체 물질'을 의미한다. 먼저 전기전도도로 설명하면, 전류가 잘 흐르는 도체와 잘 흐르지 않는 부도체의 중간 정도의 전기전도도를 가지는 물질을 반도체라고 하였다. 또한 밴드갭(Band gap)으로 설명하면 가전자대(Valence Band)와 전도대(Conduction band) 사이의 밴드갭이 0eV보다 크고 5eV보다 작은 경우를 반도체라고 정의한다. 반도체 물질 중 가장 대표적인 실리콘(Si)은 4족 원소로 그들끼리 공유결합을 이뤄 결정 구조를 이룬다. 이처럼 불순물이나 결함이 없는 거의 완벽한 반도체를 진성 반도체(Intrinsic semiconductor)라 한다. 절대온도 0K에서는 전자의 열 생성이 없어 전자가 반도체 공유결합 내에 묶여있게 된다. 따라서 0K에서는 캐리어의 농도가 0이 된다. 절대온도가 0K보다 높아지면 열 생성에 의해 전도대의 자유전자, 가전자대의 정공 쌍이 생성되는데, 열평형 상태에서의 자유전자 농도와 정공 농도는 동일하다. 이 캐리어 농도를 진성 캐리어 농도라 한다. 이러한 진성 캐리어 농도는 물질, 온도에 따라 특정한 값을 갖는다.

2. 외인성 반도체(Extrinsic semiconductor)

 진성 반도체는 열적으로 생성된 전자, 정공 쌍만이 캐리어로 작용한다. 이 수는 소자로 사용하기엔 너무 적어 캐리어의 농도를 높여 반도체의 전기 전도도를 높이는 것이 중요하다. 캐리어의 농도를 높이는 방법으로 순수한 반도체에 불순물(도펀트, dopant)을 주입하는 방법이 사용되는데, 이를 도핑(doping)이라고 한다. 4족인 실리콘 반도체는 전장이 농도를 높이기 위해 인(P), 비소(As) 같은 5족 원소를, 정공의 농도를 높이기 위해 붕소(B) 같은 3족 원소를 주입한다. 이들 불순물은 특성에 따라 인과 비소와 같이 전자를 내어주는 불순물을 도너(Donor), 붕소와 같이 정공을 만드는 불순물을 억셉터(Acceptor)라 한다. 격자 안에서 도너는 양이온의 형태로 존재하고 억셉터는 음이온의 형태로 존재한다. 이온 상태에서는 생성한 캐리어와 반대의 전기적 성질을 띤다. 3족 원소나 5족 원소와 같은 불순물이 주입된 상태에서도, 0K에서는 잉여 전자나 정공이 움직이지 못하고 불순물에 묶여 있게 된다. 그러나 온도가 상승하면 이들이 자유롭게 움직일 수 있게 되어 캐리어로써 동작한다. 캐리어가 이동하고 나면 불순물은 원자 상태에서 전자를 하나 더 얻거나 잃는 이온의 상태로 존재한다.
 진성 반도체에 불순물을 주입하여, 캐리어의 농도가 진성 캐리어 농도보다 높은 반도체를 외인성 반도체(Extrinsic semiconductor)라 한다. 불순물을 주입하였다 하더라도 불순물이 생성하는 전자, 정공 쌍의 개수가 같아 모두 재결합을 이루는 경우도 역시 진성 반도체에 해당한다. 다시 정리하면, 외인성 반도체는 불순물을 주입하여 반도체 내의 전자의 농도와 정공의 농도가 진성 캐리어의 농도와 다른 반도체를 말한다. 불순물 주입 후에도 전체적인 전하 중립성은 유지되어, 각 반도체에서 하나의 캐리어 농도가 증가하면 다른 하나는 감소할 수밖에 없다. 이때 반도체에서 농도가 더 높은 캐리어를 다수 캐리어, 상대적으로 낮은 캐리어를 소수 캐리어라 한다. 실리콘 내에 주입된 불순물들은 이온화되는 정도가 다를 수 있지만, 보통은 불순물들이 모두 이온화되어 캐리어를 내놓는다고 가정할 수 있다.
 N형 반도체란 전자가 정공보다 많은, 다수 캐리어가 전자인 반도체를 말한다. 전자의 농도를 높이기 위해 인, 비소 같은 5족 원소인 도너를 도핑한다. 도너를 도핑하였을 때, 최외각 전자 중 4개는 실리콘과 공유결합을 하지만 남은 1개의 전자는 원자핵과의 인력이 약해 약간의 에너지만 받아도 쉽게 자유전자가 될 수 있다. 불순물로 도핑된 반도체에서, 불순물 원자로부터 전자나 정공을 생성시키는데 필요한 최소 에너지를 이온화 에너지라고 한다. 이 에너지가 작을수록 불순물이 실리콘에 주입되었을 때 실리콘 격자에서 이온으로 존재하고, 또한 캐리어를 쉽게 내어놓는다는 의미이다.
 P형 반도체는 N형 반도체와 반대로, 다수 캐리어가 전공인 반도체를 말한다. 정공의 농도를 높이기 위해 붕소(B) 같은 3족 원소인 억셉터를 도핑한다. 억셉터를 도핑하였을 때, 3족 원소의 최외각 전자 3개가 실리콘과 공유결합을 하고, 부족한 1개의 자리가 정공이 되는 것이다. 반도체 냉이 전자와 정공들은 열에너지를 받아 계속해서 매우 빠른 속도로 움직이고 있다. 이들의 움직임은 직선 운동이 아니며, 결정 내의 여러 입자(원자, 불순물, 다른 전자 등)와 부딪히면서 불규칙한 산란을 하게 된다. 전자의 경우 평균 열적 속도(Thermal velocity)가 매우 빠르다. 그러나 열평형 상태에서의 운동은 전류를 생성하지 않는다. 전체 계를 거시적 관점에서 바라보면 한 캐리어의 이동은 다른 캐리어의 이동으로 상쇄되어 캐리어의 평균 순 속도는 0이 되기 때문이다. 표동(Drift)는 캐리어에 전기력을 인가하였을 때 캐리어들이 이동하는 방식을 말한다. 아래 그림과 같이 반도체에 외부 전기장이 인가되면 캐리어들이 열적 운동과 동시에 전기장에 의한 운동도 하게 된다. 따라서 캐리어들의 평균 속도는 0이 아니게 되고, 이때의 속도를 Drift 속도라 한다.