P형, N형 반도체와 에너지 밴드갭, 페르미 준위

에너지 밴드갭을 이해하려면 간단한 정의를 알고 들어가야 한다.

에너지 준위

: 원자핵 주위를 회전하는 전자가 가질 수 있는 에너지 수준인데 이는 각 물질마다 조금씩 다르다.

파울리의 배타 원리

: 동일한 원자 내에 있는 2개의 전자는 동일한 순간에 동일한 상태에 있을 수 없다는 원리다.

이 두 가지 정의를 조합해보면, 원자들을 모아서 동일한 간격으로 배열하면 전자의 수만큼 에너지가 분리된다. 나눠진 에너지는 띠를 형성하는 데, 이를 '에너지 밴드'라고 한다.

그리고 원자 간 거리가 특정 거리 이내가 되면 전자가 존재할 수 없는 간격이 생긴다. 이것을 '에너지 밴드갭'이라고 한다.

반도체의 기초가 되는 실리콘의 경우, 3s, 3p 궤도의 에너지 밴드가 겹치면, 최외곽 전자가 바글바글한 '가전자대(valence band)'와 전자가 들어갈 수 있는 비어 있는 에너지 밴드인 '전도대(conduction band)'를 형성하게 된다.

이 가전대역과 전도대역 사이는 전자가 존재할 수 없는 에너지 밴드갭이 생긴다. 포비든 밴드라고도 불리며, 이 가전대역에서 전도대역으로 넘어가기 위해 필요한 에너지를 '에너지 밴드갭 에너지'라고 한다.

이 에너지 밴드갭의 크기에 따라 고체는 부도체, 반도체, 도체로 나눌 수 있다.

1. 부도체

: 에너지 밴드갭이 3~4eV 이상으로 이 간격이 커서 가전자대에서 전도대로 전자가 쉽게 올라가지 못해 전기전도가 잘 일어나지 않는다. 전도성이 낮고, 저항은 큰 셈.

2. 반도체

: 에너지 밴드갭이 0.1~3eV 사이로서 가전자대에서 열에너지를 얻으면 전도대로 올라가서 전도가 가능해진다.

3. 도체

: 밴드갭이 거의 없고, 전기 전도가 쉽게 일어난다.

그리고 절대온도 0K에서 전자들은 가장 낮은 에너지 상태에 존재하는데, 이때 전자의 최대 에너지 크기를 '페르미 준위'라고 한다.

전자가 존재할 확률이라고도 보면 되는데, 전자의 농도가 올라가면 전도대(conduction band)에도 전자가 존재할 확률이 있기에 페르미 준위는 위쪽으로 올라간다. 반대로 전자의 농도가 낮아지면 가전자대(valence band)쪽으로 페르미 준위는 내려간다.

그렇다고 해서 에너지 밴드갭에 전자가 존재하는 건 아니다. 적어도 진성 반도체에선 이론적으로만 존재하는 셈.

이제 N형과 P형 반도체를 살펴보자.

1. N형 반도체

> Si(실리콘)은 4족인데, 안정적이라 전자가 움직이지 않는다. 그래서 전류도 흐르지 않는다. 이때 5족인 인(P), 비소(As) 등을 불순물로 첨가하면 실리콘 원자와 공유결합을 한 뒤, 1개의 잉여전자가 생긴다.

잉여 전자로 전자의 농도가 높으며, 고유의 에너지를 갖고 있는 잉여전자는 전도대로 올라가는데 필요한 에너지가 적다. 즉, 에너지 밴드갭이 작고 전압을 걸어주면 잉여전자는 자유롭게 돌아다니고, 전도대로 좀 더 쉽게 올라가며 전류가 흐른다. 전기 전도도 증가.

2. P형 반도체

> P형은 3족(최외각 전자가 3개)인 붕소(B) 등에 불순물을 첨가하면, 3개는 실리콘 원자와 결합을 한다. 그러면 전자가 비어있는 상태인 정공(Hole)이 생긴다.

이때 전압을 가하면 열에너지로 전자가 정공 사이로 이동하면서 전류가 흐른다. 전자보다 정공의 농도가 높고, 페르미 준위가 낮다. 에너지 밴드갭은 높다.

+ 전자는 온도가 상승하면 운동에너지가 커지고, 에너지 밴드갭 에너지보다 낮아도 벽을 통과하는 '터널링'이 일어난다. 보통 온도가 올라가면 에너지 밴드갭은 작아진다.

갬성과 공대