N형 반도체란?

반도체

반도체는 절연체(전기를 거의 통하지 않는 물질)와 도체(전기를 통하기 쉬운 물질)의 중간적인 성질을 가지는 물질을 말합니다. 그리고 구조와 특성에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 나눌 수 있습니다. 절연체보다도 전기가 통하기 쉽고, 도체보다도 전기가 통하기 어렵다는 특징은 같지만 구조에는 큰 차이가 있습니다.

 

N형 반도체

음전하를 가진 자유전자에 의해 전기전도가 일어나는 반도체를 n형 반도체라고 부릅니다. 전압을 거는 것으로 반도체 내의 자유 전자가 플러스극 쪽으로 이동하여 전류가 흐른다고 하는 상태입니다. 또한 마이너스 전하를 가진다고 해서 음(negative)의 머리글자를 따서 n형이라고 불립니다.

 

P형 반도체

p형 반도체에는 n형 반도체와 같은 자유전자가 존재하지 않습니다. 한편, 가전자띠에 발생하는 전자의 결손부 정공(홀)이 있습니다. 플러스극 쪽에 이웃하는 전자는 정공으로 이동하는 성질이 있습니다. 그 이동이 결과적으로 전기 전도로 이어진다는 것이 주된 구조입니다. 또한 겉보기에는 정공이 마이너스극으로 이동하고 있기 때문에 양(positive)의 전하를 가진다고 여겨져 p형이라고 불립니다.

 

N형 반도체의 구조와 특성

n형 반도체는 원소의 주기율표에서 Ⅳ족 원소 안에 미량의 Ⅴ족 원소를 함유함으로써 만들어집니다. Ⅳ족의 대표로는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등을 들 수 있습니다. 또 V 족에는 인(P), 비소(As) 등이 있습니다. Ⅴ족의 원소를 섞는 이유에는 전기 저항이 관련되어 있습니다.

 

원래 실리콘의 단결정 구조를 가진 진성 반도체는 거의 전기를 통하지 않습니다. 즉, 거의 절연체 상태입니다. 이대로는 전류를 제어할 수 없습니다. 그래서 Ⅳ족을 혼입 시킴으로써 전기 저항을 줄이고 반도체로서의 성질을 갖게 하는 것입니다.

 

N형 반도체에 전기가 흐르는 구조

불순물이 함유됨으로써 왜 전기저항이 낮아지는지(=전기를 통할 수 있게 된다)를 보다 자세히 살펴봅시다. 이번에는 실리콘과 인을 예로 생각합니다. 실리콘이 가진 가전자는 4개입니다. 단결정은 이 4개의 가전자가 서로 연결되어 있는 상태가 되기 때문에 전자가 움직일 수 없는 상태에 있다고 할 수 있습니다.

 

한편 불순물인 인은 가전자를 5개 가지고 있습니다. 각각이 합쳐지면 인의 가전자가 하나 남는 계산입니다. 잉여가 된 전자는 자유 전자가 되어 어디든 움직일 수 있는 상태가 됩니다. 따라서 전압이 가해지면 자연스럽게 플러스극으로 끌어당깁니다. 이 자유전자의 존재가 n형 반도체가 전기를 통과시키는 역할을 담당하고 있는 것입니다.

 

N형 반도체의 활용 예

n형 반도체로 독립적으로 사용되기보다 n형 반도체와 p형 반도체를 서로 접촉하여(pn 접합) 반도체 소자로 이용합니다. pn 접합의 정류 반응에 의해서 트랜지스터나 다이오드로서 이용됩니다.

PN 접합

pn 접합(n-p 접합)에서는 경계 부근을 향해 p형과 n형 각각의 정공과 자유전자(캐리어)가 서로 끌어당깁니다. 정공은 전자를 갖지 않는 구멍과 같은 것이기 때문에 정공과 자유전자가 만나면 서로가 결합하여 소멸합니다. 이 현상이 반복되면 결국 p형 반도체가 마이너스극으로 대전되고 n형 반도체가 플러스극으로 대전하게 됩니다.

 

그 결과, n형 반도체에서 p형 반도체 방향으로 전계가 발생하는 것입니다. 이때 p형 반도체는 n형 반도체에 비해 높은 에너지를 가지고 있는 상태가 되고, 그 차이로 인해 캐리어가 존재하지 않는 공핍층이 생깁니다. 공핍층에는 캐리어가 존재하지 않기 때문에 전자의 이동도 일어나지 않습니다.

 

즉, 공핍층은 전기를 통하지 않는 절연물이 되는 것입니다. 더불어 pn 접합에는 정류 작용이라고 하는 현상이 나타납니다. 이것은 한쪽 방향으로만 전기가 흐르지 않는 성질을 활용함으로써 전기를 통하거나 통하지 않는 것을 제어할 수 있습니다.

 

단순한 N형 반도체

p형 반도체에 비해 n형 반도체는 단순한 구조를 가졌습니다. n형 반도체 구조를 이해할 수 있으면 반도체 디바이스 등이 어떻게 전기 전도를 컨트롤하고 있는지 등을 이해할 수 있을 것입니다.