[물리전자] 4.2 도펀트 원자와 에너지 준위 (Dopant Atoms and Energy Levels)

CHAPTER 4

The Semiconductor in Equilibrium

 

 

들어가며

 

오늘은 불순물 반도체(Extrinsic Semiconductor)를 다루기 전, 도펀트 원자와 에너지 준위에 대해 정성적으로 알아보겠습니다.

도펀트 원자에 대해 학습하기 전에, 도핑이 무엇인지, 왜 하는지 알아보겠습니다.

도핑(Doping)이란?
 : 전기적, 광학적, 구조적 특성을 조절하기 위한 목적으로, 진성 반도체에 불순물을 주입하는 공정.

 

지금까지도 반도체의 원재료로 실리콘(Si)은 가장 많이 사용되고 있는데요. 순수한 실리콘(Si)은 전기가 통하지 않습니다. 

이러한 실리콘(Si)의 전기 전도율을 높여주기 위해 '확산' 또는 '이온 주입' 방법을 통해 불순물을 도핑하는데요,

도핑 정도에 따라 전기 전도율을 조절할 수 있기 때문에 원하는 특성을 갖는 소자를 설계할 수 있습니다.

 

일반적으로 가장 널리 알려진 다이오드나 MOSFET을 만들 때에도 도핑(Doping) 공정이 들어가게 됩니다.

(도핑 공정에 대한 자세한 내용은 추후 반도체 공정에 대해 포스팅할 때 올리도록 하겠습니다.)

 

4.2.1 Qualitative Description

 

이제 도핑(Doping)에 대해 정성적으로 알아보겠습니다.

도핑할 때 필요한 불순물을 도펀트(Dopant)라고 하며, 도펀트(Dopant)는 도너(Donor)와 억셉터(Acceptor)로 나뉩니다.

도펀트의 종류에 따라 실리콘(Si) 내부에서 반응 차이가 있습니다.

 

1) 도펀트(Dopant) 원자가 5족 원소(Group Ⅴ element)인 경우

 

진성 반도체인 실리콘(Si)에 5족 원소인 인(P)을 도핑한 것을 예시로 들어보겠습니다.

 

 

왼쪽의 Figure 4.3은 도핑하기 전, 순수한 실리콘(Si)을 표현한 그림입니다.

우리는 Chapter 4.1에서 이런 경우일 때, 캐리어의 농도(p₀, n₀)에 대해 알아봤습니다.

 

오른쪽의 Figure 4.4가 5족 원소인 인(P)을 도핑한 것을 표현한 그림입니다.

기본적으로 5족 원소는 최외각전자(Valence electrons)가 5개입니다.

5개 중 4개는 실리콘(Si)의 최외각전자와 모두 공유결합을 하게 되고, 나머지 1개는 P 원자와 약하게 결합된 상태입니다.

그러한 전자를 Donor electron 이라고 합니다.

 

매우 낮은 온도일 때, Donor electron는 인(P) 원자에 구속되어 있기 때문에, 전류를 형성 하지 않습니다.

그러나, 충분한 에너지가 가해지게 되면, Donor electron은 인(P) 원자와의 결합을 끊고 자유 전자가 됩니다.

 

이를 간단하게 수식으로 표현하면 다음과 같습니다.

(e^-은 n_d라고도 표현합니다.) 

 

도너(Donor)
 : 가전자대에서 정공(hole)의 생성 없이 전도대에 전자(electron)를 제공하는 역할을 함.

 

한편, 에너지 밴드로 표현하면 다음과 같습니다.

도너(Donor)를 도핑시, Donor electron은 E_d에 위치하게 되며, 충분한 에너지를 받으면 전도대로 여기하게 됩니다.

 

 

2) 도펀트(Dopant) 원자가 3족 원소(Group Ⅲ element)인 경우

 

위에서 했던 방법과 동일하게 생각하면 됩니다.

이번엔 진성 반도체인 실리콘(Si)에 3족 원소인 붕소(B)를 도핑한 것을 예시로 들어보겠습니다.

 

위의 Figure 4.6은 3족 원소인 붕소(B)를 도핑한 것을 표현한 그림입니다.

3족 원소는 최외각전자(Valence electrons)가 3개이며, 3개 모두 실리콘(Si)의 최외각전자와 모두 공유결합을 합니다.

이 때, Figure 4.6a 처럼 실리콘 원자와 공유 결합을 하지 못 하는 빈 공간(empty position)이 필연적으로 발생하게 되는데, 

Figure 4.6b와 같이 충분한 에너지를 받은 다른 실리콘 원자의 최외각전자에 의해 채워지는 것을 확인할 수 있습니다.

 

이를 간단하게 수식으로 표현하면 다음과 같습니다.

(h⁺은 p_a라고도 표현합니다.) 

 

억셉터(Acceptor)
 : 전도대에서 전자(electron)의 생성 없이 가전자대에서 정공(hole)을 만들어내는 역할을 함.

 

한편, 에너지 밴드로 표현하면 다음과 같습니다.

억셉터(Acceptor) 도핑시, 빈 공간(Empty Position)은 E_d에 위치하며, E_d로 전자가 여기하면 정공(Hole)이 생성됩니다.

 

 

마치며

 

오늘은 도펀트(도너 또는 억셉터)원자에 대한 개념과 에너지 밴드에서의 표현까지 알아보았습니다.

다음 글에서는 불순물 반도체(Extrinsic Semiconductor)의 캐리어 농도에 대해 알아보겠습니다.

 

감사합니다.