n형 반도체와 p형 반도체

핵심 정리

규소(Si)나 저마늄(Ge)처럼 순수한 반도체를 진성 반도체라 한다. 진성 반도체는 전하 운반자가 적어 전기 전도성이 작다. 여기에 불순물을 아주 조금 넣는 과정을 도핑이라 한다. 도핑하면 전하 운반자가 늘어나 전기 전도도가 커진다. 15족 원소인 인(P)이나 비소(As)를 넣으면 남는 전자가 생긴다. 전자가 주된 운반자가 된 반도체를 n형이라 한다. 13족 원소인 붕소(B), 인듐(In), 갈륨(Ga)을 넣으면 전자가 채우지 못한 자리가 생긴다. 양공이 주된 운반자가 된 반도체를 p형이라 한다.

n형 반도체의 다수 캐리어는 전자이고, p형 반도체의 다수 캐리어는 정공이다. 두 반도체는 다수 캐리어의 종류로 구분한다. n형에서는 음전하를 띤 자유 전자가, p형에서는 양전하를 띤 것으로 보는 양공이 주된 운반자다. 전류 방향은 캐리어 종류와 관계없이 양전하가 움직이는 방향으로 정한다.

n형 반도체에서는 주로 전자가 전류를 흐르게 한다. 전압을 걸면 결합에 참여하지 않은 잉여 전자가 결정 속을 이동해 전류가 생긴다. p형 반도체에서는 주로 양공이 전류를 흐르게 한다. 주변 원자의 전자가 빈자리를 채우면 원래 전자가 있던 자리에 새 빈자리가 생긴다. 이 과정이 이어지면서 양공이 이동하는 것처럼 보인다.

n형과 p형 반도체를 접합하면 p-n 접합이 된다. 접합면 근처에서 n형의 전자와 p형의 양공이 재결합한다. 그 결과 이동 가능한 전하 운반자가 줄어든 공핍 영역이 생기며, 이 영역에는 고정된 이온 전하가 남는다. p-n 접합의 한쪽 방향 전류 흐름 특성을 이용해 다이오드를 만들 수 있다. 발광 다이오드(LED)와 빛을 전기로 바꾸는 태양 전지도 p-n 접합을 이용한다. 트랜지스터는 n형과 p형 반도체를 세 겹으로 쌓아 만든다.

자세히

반도체의 전하 운반자는 첨가하는 불순물 원소에 따라 달라진다. 규소와 저마늄은 원자가 전자가 4개인 14족 원소다. 각 원자는 이웃한 원자 4개와 공유 결합해 결정을 이룬다. 원자가 전자가 5개인 15족 원소를 넣으면 공유 결합에 참여하고도 전자가 하나 남는다. 이 전자는 결합에 묶이지 않아 전압을 걸면 자유롭게 이동할 수 있다. 따라서 15족 불순물을 넣은 반도체에서는 자유 전자가 주된 운반자가 된다. 이를 n형 반도체라 하며, n은 음의 전하를 뜻한다.

반대로 원자가 전자가 3개인 13족 원소를 넣으면 공유 결합을 완성하는 데 전자 하나가 부족하다. 이 빈자리를 양공이라 한다. 주변 전자가 빈자리로 이동하면 전자가 있던 자리에 새로운 빈자리가 생긴다. 이 과정을 반복하면 양공이 전자와 반대 방향으로 이동하는 것처럼 보인다. 양공은 양전하를 띤 것처럼 행동하므로 p형 반도체의 p는 양공의 양전하를 뜻한다. p형 반도체에서는 전자보다 양공이 많다. 양공은 다수 운반자이고 전자는 소수 운반자다.

아래 표는 두 반도체의 차이를 정리한 것이다.