반도체 재료

진성 반도체 재료

 불순물이나 결정결함이 하나도 없는 완전한 반도체 결정을 진성(intrinsic) 반도체라고 한다. 이와 같은 물질에서 가전자대역은 전자로 충만되어 있고 전도대역은 비어 있다. 높은 온도에선느 가전자대역의 전자가 열적으로 여기되어 에너지 대역간극을 넘어서 전도대역으로 감에 따라 전자-정공쌍이 생성된다. 이들 EHP는 진성 반도체 재료에서의 유일한 전하 캐리어이다.

 이 EHP의 생성은 결정격자에서 공유결합이 부서지는 것을 생각하면 정성적인 방법으로 눈앞에 떠오르게 할 수 있다. 만일 Si의 가전자 중 하나가 결합구조에서 그의 위치로부터 이탈하여 격자 속에서 돌아다닐 수 있게 자유로워지면, 전도 전자가 생기며 그 뒤에는 부서진 결합수(broken bodn, 즉 정공)가 남게 된다. 이 결합수를 부수는 데 필요한 에너지는 에너지 대역간극의 에너지 Eg이다. 이 모형은 EHP 생성의 물리적 기구를 눈앞에 떠오르게 하는 데 도움이 되나, 에너지 대역 모형은 양적 계산을 위해서는 더욱 유용하다. 이 부서진 결합수의 모형에서 한 가지 중요한 어려운 점은 자유전자와 정공이 마치 그 격자에 국부적으로 배치되어 있는 것처럼 보인다는 것이다. 실제로 이 자유전자와 정공은 여러 개의 격자 공간에 걸쳐서 퍼져 있으며 확률분포에 의하여 양자역학적으로 생각해야한다. 

 전자와 정공은 짝을 이루어 생성되기 때문에 전도대역의 전자농도 n(매 cm^3당 전자수)은 가전자대역의 정공농도 p(매 cm^3 당 정공수) 와 같다. 이들 진성 캐리어농도 각각을 보통 ni로 나타낸다. 따라서 진성 물질(intrinsic material)에서는 다음과 같다. n=p=ni

 주어진 온도에서는 전자-정공쌍의 어떠한 일정한 농도 ni가 있다. 분명히 정상상태의 캐리어 농도가 유지되려면 이들이 발생되는 것과 똑같은 비율로 EHP의 재결합(recombination)이 있어야 한다. 재결합은 전도대역의 전자가 가전자대역에 있는 빈 에너지 상태(즉, 정공)로 (직접 또는 간접적으로) 전이할 때 생기며, 이로써 전자-정공쌍은 소멸 된다. EHP의 생성률을 gi(EHP/cm^3-s)로, 재결합률을 ri로 정의한다면 평형상태에서는 ri=gi 이어야 한다.

외인성 재료

 열적으로 생성된 진성 캐리어에 덧붙여 결정에 고의적으로 불순물을 넣어서 반도체에 캐리어를 생기게 할 수 있다. 이 과정을 도핑(doping, 불순물 첨가)이라 하는데, 반도체의 전도도를 바꾸어 주기 위한 가장 일반적인 기법이다. 도핑으로 전자 또는 정공 어느 한쪽이 우세하게 되도록 결정을 바꾸어 줄 수 있다. 따라서 도핑된 반도체의 두 가지 형식, 즉 n형(캐리어의 대부분이 전자)과 p형(캐리어의 대부분이 정공)이 있다. 결정에 도핑되어 평형상태의 캐리어농도 no와 po가 그의 진성 캐리어 농도 ni와 다르게 되면 이 물질은 외인성(extrinsic)이라 한다.

 완전한 결정에 불순물이나 격자 결함이 첨가도미ㅕㄴ 부가적인 에너지 준위가 에너지 대역구조에 생기게 되며 보통은 대역간극 내에 형성된다. 예를 들어, 주기율표 V족으로부터의 불순물(P,As,Sb)은 Ge 또는 Si의 전도대역 아주 가까운 곳에 에너지준위가 생기게 한다. 이 준위는 0K에서는 전자로 충만되어 있으며 이들 전자를 전도대역으로 여기시키는데는 극히 적은 열에너지가 소모된다. 따라서 약 50~100K에서는 실질적으로 불순물준위에 있던 모든 전자가 전도대역으로 공여(donante) 된다. 이와 같은 불순물 준위를 도너(donor)준위라 하고, Ge나 Si에 있어서의 V족 불순물은 도너 불순물이라 한다. 불순물을 첨가한 물질은 그의 온도가 진성 EHP의 농도가 상당한 정도로 되기에는 너무도 낮은 때일지라도, 전도대역에 상당한 농도의 (전도)전자를 가질 수 있다. 따라서 적지 않게 많은 수의 도너원자를 도핑해 준 반도체는 실온에서 no>>(ni,po)가 될 것이며, 이것이 n형(반도체) 물질이다.

 III족(B,Al,Ca,In)원자는 Ge나 Si에서 가전자대역 가까이에 불순물준위를 만들어 준다. 이 준위는 0K에서는 전자가 비어 있다. 낮은 온도에서 전자를 가전자대역으로부터 이 불순물준위로 여기시켜 가전자대역에 정공을 남기게 하는 데 충분한 에너지를 얻을 수  있다. 이 불순물 준위는 가전자대역으로부터 전자를 받아들이기 때문에 이 준위는 억셉터(acceptor)준위라 하며, III족의 불순물은 Ge와 Si에서는 억셉터 불순물이다. 억셉터 불순물의 첨가로 전도대역의 전자농도 no보다도 훨씬 큰 정공농도 po를 갖는 반도체를 만들 수 있다.(p형 재료).