P형 반도체란?

반도체의 두 가지 유형

전기를 통하는 물질을 도체(금속), 전기를 통하지 않는 물질을 절연체라고 부릅니다. 반도체는 이 중간 정도에 위치한 전기가 통하기 쉬운 물체입니다. 재료로는 실리콘과 게르마늄, 갈륨비소 등이 있습니다. 이번에는 현재 주된 재료가 되고 있는 실리콘을 예로 설명합니다. 실리콘을 결정화하면 반도체의 재료(진성 반도체)가 완성됩니다. 그러나 순수한 실리콘 단결정은 전기를 거의 통하지 않습니다. 그래서 불순물을 함유시킴으로써 전류를 흘릴 수 있도록 합니다. 이때 어떤 불순물을 섞느냐에 따라 반도체는 p형과 n형으로 나뉩니다.

 

P형 반도체

p형 반도체는 원자핵의 가장 바깥쪽에 있는 가전자의 궤도(가전자띠)에 생긴 정공(홀)을 이용하여 전기전도를 일으키는 반도체를 말합니다. 정공은 양의 전기를 가진 입자(전하)로 여겨지며 전하를 옮기는 캐리어라고 불립니다. 또한 양(positive)의 전하를 갖는 것이 p형이라는 명칭의 유래입니다.

 

P형 반도체의 구조와 특성

p형 반도체를 만드는 방법은 Ⅳ족의 진성 반도체에 Ⅲ족의 불순물을 첨가하는 것입니다. 알기 쉽도록 실리콘과 붕소를 예로 들겠습니다. 단결정 실리콘에 미량의 붕소를 첨가하면 전자가 1개 부족합니다. 이것은 실리콘의 가전자가 4개인 반면 붕소의 가전자는 3개이기 때문입니다. 이 전자의 빠진 구멍을 정공이라고 부릅니다.

 

이 상태의 반도체에 전압을 걸면 전자가 플러스극으로 끌어당겨져 인근 정공으로 이동합니다. 그러면 앞으로는 전자의 이동에 따라 다른 위치에 정공이 생깁니다. 여기로 또 다른 전자가 이동합니다. p형 반도체의 특징은 이 전자의 움직임입니다. 그리고 전자가 플러스극의 방향으로 이동하면 마치 정공이 마이너스극의 방향으로 이동하는 것처럼 보입니다. 그래서 정공은 양의 전하를 갖는 것으로 간주되는 것입니다.

 

PN 접합

p형 반도체는 전기를 흘리거나 흘리지 않을 수 있는 점이 특징입니다. 그 동작을 실현하는 기본 원리가 pn 접합에 의한 정류 작용입니다. pn 접합은 p형 반도체와 n형 반도체가 접합되었을 때 생기는 접촉면입니다. n-p 접합이라고 불리기도 합니다.

 

pn 접합에서는 p형과 n형 각각의 경계 부근에 각각의 정공과 자유전자(캐리어)가 서로 끌어당겨 결합하여 소멸합니다. 그러면 pn 접합에는 캐리어 부재층이 생깁니다. 이것을 공핍층이라고 부릅니다. 공핍층에는 캐리어가 존재하지 않기 때문에 전자가 이동할 수 없습니다. 즉, 실질적인 절연물이며 전류를 흘리지 않는 장벽이 되는 것입니다.

 

PN 접합에 의한 정류 작용

pn 접합에 전압을 걸 때는 방향에 따라 전류의 흐름 방법이 달라집니다. 우선은 순방향(p형 반도체가 플러스극)으로 전압을 걸어 봅시다. 그러면 정공과 전자가 분기점을 향해 이동합니다. 그러면 전자가 정공으로 들어가 양자가 소멸되며 그곳에 n형 반도체에서 전자가 흘러들어 가고 p형 반도체에서는 전자가 유출되어 새롭게 정공이 만들어집니다. 이 반복에 의해 전류가 계속 발생합니다.

 

한편, 역방향(n형 반도체가 플러스극)으로 전압을 걸면 전자와 정공은 각각 멀어지는 방향으로 이동합니다. 분기점에는 전자도 정공도 없기 때문에 공핍층이 넓어져 내압을 만들어 냅니다. 이렇게 pn 접합으로 한 방향으로만 흐르는 것을 정류작용이라고 부릅니다. 정류 작용을 활용하면 전류가 흐르는 방향으로 컨트롤할 수 있습니다. 예를 들어 신호를 증폭 및 스위칭하는 트랜지스터 등도 pn 접합을 기본으로 한 반도체 소자의 하나입니다.

 

PN 접합 반도체 소자의 활용

모든 가전제품 안에는 반도체가 있습니다. 예를 들어 밥솥이나 에어컨은 자동으로 온도를 조정하기 위해 온도 센서를 탑재하고 있습니다. 이 온도 센서 자체에 반도체가 사용되고 있습니다. 그 외에도 PC의 CPU나 메모리는 IC(집적 회로)로 만들어져 있어 소프트웨어, 하드웨어의 제어를 실시합니다.

 

또 스마트폰도 같은 구조입니다. 의외로 알려지지 않은 것이 LED 조명입니다. 일반적으로 전구는 펠트선에 전기를 통과시킴으로써 발광하지만, LED 조명은 여기에 반도체를 활용하여 긴 수명과 에너지 절약을 실현했습니다. 이와 같이 반도체는 우리의 생활 속에 조용히 녹아들어 풍부한 생활을 서포트해 주고 있는 것입니다.

 

반도체의 기초가 되는 P형, N형 반도체

반도체를 이용한 제품에는 여러 가지가 있습니다만 모두 기본적으로는 이번에 소개한 p형 반도체와 n형 반도체를 어떻게 접촉시키느냐, 조합하느냐에 따라 특성이 달라집니다. 그런 의미에서 p형, n형 반도체는 기초라고 할 수 있는 지식으로 반도체 디바이스로 흐르는 전기를 더 이해하실 수 있었을 것입니다.