[반도체물성] 전자와 정공

안녕하세요. 알쓸공잡입니다.

오늘은 전자와 정공에 대한 포스팅을 해보려고 합니다.

 

1. 실리콘의 2차원 결정 구조는?

 

 

다음 그림을 보면 하나의 원자가 이웃 원자와 2개의 전자를 공유하고 있고, 자유롭게 돌아다니는 전자 없이 모두 원자에 속박된 전자임을 알 수 있다.

이렇게 자유 전자가 하나도 없다는 것은 절대온도 0도에서만 가능하다.

보통 절대온도가 0도가 아니라면 열에너지로 공유 전자들의 일부분이 결합을 깨고 자유롭게 전도 전자가 되는 일이 생긴다. 

 2. 전도 전자란?

 

전도 전자는 결정 내부를 자유롭게 돌아다닐 수 있는 전자로 이를 통해 전류가 흐르게 된다. 

전자가 결합을 깨고 전도 전자가 될 때, 비어있는 자리 즉, 정공(hole)이 생긴다. 

이 정공은 다른 새로운 전자를 받아들일 수 있다. 따라서 자유 전자와 정공은 전류를 흐르게 하는 요소이다.

전도 전자를 음전하를 운반하는 요소로, 정공을 양전하를 운반하는 요소로 생각하면 편하다. 

 

설명한 내용들을 종합해보면, 1개의 속박 전자를 자유롭게 만듦으로써 1개의 전도 전자와 1개의 정공이 생겼다. 

이를 위해서는 1.1eV의 에너지가 필요하다. 

즉, 최소한의 광자 에너지 1.1eV를 Si 샘플에 쪼이면 전도 전자와 정공들이 생기면서 전도도가 증가하는 것이다. 

 

상온에서 열에너지는 보통 26 meV로, 이 정도로 생성된 전자와 정공의 농도는 매우 적다. 

따라서 매우 많은 양을 만들기 위해서는 반도체를 도핑(doping)하는 방법이 있다.

 

3. 도핑이란?

 

도핑은 불순물 (impurity)를 적절히 주입하여 전자와 정공이 생기도록 하는 방법이다. 

5족 원소를 주입하는 방법과, 3족 원소를 주입하는 2가지가 있다.

 

비소와 같은 5족 원소들은 각 원자가 5개의 원자가 전자들을 갖는다. 이 중 4개의 전자는 이웃하는 Si 원자들과 공유되지만, 하나 남은 전자는 자유 전자가 되고 비소는 양이온으로 된다. 

이런 불순물을 전자를 제공한다고 하여 donor라고 한다. 

붕소와 같은 3족 원소들은 각 원자가 공유결합을 충족하기 위해 여분의 전자를 받아들이게 되는데, 이때 정공을 생성하게 된다. 

	N형 반도체  (N type semiconductor)	P형 반도체  (P type semiconductor)
불순물 종류	5족 원소 주입 (예 : As, P) -> Donor	3족 원소 주입 (예 : B) -> Acceptor
양	자유전자 다수, 정공 소수 포함	정공 다수, 자유전자 소수 포함

 

도너 원자를 이온화시키기 위해 필요한 에너지는 50 meV정도이다. 

따라서 작은 이온화 에너지 때문에 상온에서 완전히 이온화가 가능하다. 

즉, 주입한 도너 원자의 양만큼 전도 전자를 생성하게 된다. 이는 억셉터에 대해서도 동일하다. 

 

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