반도체 기초 Chapter 4 - 2. 전자와 정공 농도 조절

Chapter 4 - 2. 전자와 정공 농도 조절

 

• 전자와 정공 농도 조절

반도체에서는 전하의 이동으로 인해 전류가 형성된다.

순수 반도체의 전기적 특성을 결정하는 전자와 정공의 고유 농도 ni는 재료의 고유한 특성(에너지 밴드갭, 유효상태 농도), 온도에 의해 결정된다. 따라서 불순물 원소의 종류와 농도를 맞춰서 주입해야 하면 전기 전도도를 정확히 조절할 수 있다. 그리고 외부에서 인가하는 전압에 대하여 넓은 온도 범위에서 안정된 전기적 특성을 보장할 수 있다.

 

전기적 특성을 조절하기 위한 여러 결정 요소

- 반도체 재료의 선택에 의한 조절

- 제조공정에서 불순물 주입에 의한 조절

- 접합을 이용한 조절

- 인가한 전기, 빛, 압력 등에 의한 조절

 

전기적 특성 조절을 위한 불순물 주입

불순물: 전기적 특성 조절을 위해 종류와 농도를 엄격하게 조절하여 의도적으로 주입한 원소

반도체 제조 공정을 통해 아주 적은 농도의 불순물을 주입한다. 반도체 고유의 특성은 그대로 유지하면서 전기 전도도 등의 전기적 특성 조절을 할 수 있다.

이렇게 전기적 특성 조절을 위해 불순물을 주입한 반도체를 불순물 주입 반도체 또는 외인성 반도체라고 한다.

 

전자 생성 원소인 도너와 도너 준위 Ed

집적회로 구현에 가장 널리 사용되는 주기 구조 반도체인 Si는 인접한 Si 원자 4개와 공유결합을 이뤄서 안정된 원자 배열 구조를 형성한다. 여기에 5족 원소(최외곽 전자 5개 소유 원소)를 주입하여 열처리하면 이 원자는 이미 공유결합한 Si를 밀어낸다. 이때 공유결합에 사용된 전자 4개를 제외하고 전자 1개가 남는다. 이렇게 남은 전자 1개는 원자와의 결합이 약해서 쉽게 자유전자가 될 수 있다.

이렇게 여분의 전자를 쉽게 전도 대역으로 옮길 수 있는 원자(5족 불순물 원자)를 도너(doner) 원자라고 한다. 또 여분의 전자가 결합을 끊고 전도 대역의 자유전자가 되는데 필요한 에너지를 이온화 에너지(Ead)라고 한다. 전도 대역에서 이온화 에너지(Ead)만큼 떨어진 에너지 준위를 도너 준위(Ed)라고 한다. 도너 원자가 이온화 되기 전에는 전기적으로 중성이다. 하지만 이온화되어 전자가 전도 대역으로 이동하면 도너 준위(Ed)에 빈 자리가 생성되어 도너 원자는 양의 전하를 띤다.

 

 

도너로서 적합한 원소

- 낮은 온도에서도 전자가 전도 대역으로 넘어가는 데 필요한 이온화 에너지가 작은 원소

- 제조 공정이 끝난 뒤에도 주입된 도너 원자가 격자점에서 이동하지 않을 확산계수가 낮은 원소

 

 

정공 생성 원소인 억셉터와 억셉터 준위 Ea

집적회로 구현에 가장 널리 사용되는 주기 구조 반도체인 Si는 인접한 Si 원자 4개와 공유결합을 이뤄서 안정된 원자 배열 구조를 형성한다. 여기에 3족 원소(최외곽 전자 3개 소유 원소. 즉, 최외곽 정공 5개 소유 원소)를 주입하여 열처리하면 이 원자는 이미 공유결합한 Si를 밀어낸다. 이때 공유결합에 사용된 전자 3개를 제외하고 추가로 전자 1개 더 필요하다. 이렇게 공유결합을 이루지 않은 전자 1개의 빈자리는 이동이 자유로운 정공이 된다.

이렇게 전자의 빈자리(정공)를 쉽게 생성해낼 수 있는 원자(3족 불순물 원자)를 억셉터(acceptor) 원자라고 한다. 또 가전자 대역에서 전자가 결합을 끊고 정공을 생성하는데 필요한 에너지를 이온화 에너지(Eaa)라고 한다. 가전자 대역에서 이온화 에너지(Eaa)만큼 떨어진 에너지 준위를 억셉터 준위(Ea)라고 한다. 억셉터 원자가 이온화 되기 전에는 전기적으로 중성이다. 하지만 이온화되어 가전자 대역의 전자가 억셉터 준위(Ea)로 이동하면 가전자 대역에 빈 자리가 생성되어 억셉터 원자는 음의 전하를 띤다.

 

 

억셉터로서 적합한 원소

- 낮은 온도에서도 가전자 대역의 전자가 억셉터 준위로 넘어가는 데 필요한 이온화 에너지가 작은 원소

- 제조 공정이 끝난 뒤에도 주입된 도너 원자가 격자점에서 이동하지 않을 확산계수가 낮은 원소