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전기적 성질

여기에서 논해지고 있는 반도체 물질은 단결정이다.

단결정은 원자가 3차원의 주기적 모양으로 배열된 결정을 말한다. 그림2-1은 순도가 매우 높고 불순물의 양은 무시할 정도인 순수한 규소(실리콘) 결정의 단순화된 2차원 구조를 나타내고 있다. 각각의 규소원자는 4개의 인접 원자로 둘러싸여 있다. 또 각 원자는 외곽에 4개의 전자를 가지고 있고, 이 전자를 4개의 인접 원자와 공유하고 있다. 두 핵이 전자를 서로 끌어당김으로써 두 원자가 묶여진다. 이 전자 공유는 공유 결합으로 알려져 있다.

저온에서 전자는 각각의 결정 내의 위치에 구속되어 있어서 전기전도에 이용될 수 없다.

고온에서는 열진동으로 일부의 공유 결합이 깨져서 자유전자가 생성된다. 전자가 일단 공유 결합으로부터 벗어나면 그 결합에는 전자 결핍이 생긴다. 이 결핍은 인접 전자 중의 하나에 의해서 채워질 수 있는데, 그결과 결핍 위치가 한 곳에서 다른 곳으로 이동한다. 따라서 이 결핍은 전자와 유사한 입자로 간주될 수 있다. 양공이라는 이름이 붙여진 이 가상의 입자는 양전하를 수송하고, 전기장의 영향하에서 전자의 방향과 반대 방향으로 움직인다.

고립된 원자의 경우 원자의 전자는 불연속의 에너지 준위를 가질 수 있다.

많은 수의 원자가 합해져서 결정을 만들면 원자간의 상호작용으로 불연속의 에너지 준위는 에너지 띠가 된다. 열 진동이 없을 경우에는 반도체의 전자는 낮은 에너지부터 여러 개의 에너지 띠를 완전히 채우고, 그결과 나머지 에너지 띠는 빈 채로 있게 된다. 가장 높이 채워진 에너지 띠는 가전자띠라고 불린다.

그 다음으로 높은 띠가 전도띠인데, 이것은 에너지 간격에 의해서 가전자띠와 분리되어 있다. 이 에너지 간격은 띠간격이라고도 불리는데, 이것은 반도체의 전자가 가질 수 없는 에너지 값을 나타낸다. 대부분의 중요한 반도체는 0.25~2.5eV에 이르는 띠간격을 가지고 있다. 예를 들면 실리콘의 경우에는 1.12eV, 비소화갈륨의 경우에는 1.42eV이다.

위에서 논의된 것처럼 한정된 온도에서 열 진동은 어떤 결합을 깬다.

결합이 깨지면 자유전자가 자유 양공과 함께 생긴다. 반도체의 띠간격이 비교적 작기 때문에 어떤 전자는 가전자띠에서 전도띠로 이동할 수 있다. 이때 가전자띠에는 양공이 남는다. 반도체에 전기장이 걸리면 전도띠의 전자와 가전자띠의 양공은 모두 운동 에너지를 얻어서 전기를 수송한다.

한 물질의 전기전도도는 단위 부피당의 전하운반자(즉 자유전자와 자유양공)의 수와 이 운반자가 전기장의 영향하에서 움직이는 속도에 좌우된다.

고유(또는 진성)반도체에는 같은 수의 자유전자와 자유양공이 존재한다. 그러나 전자와 양공은 서로 다른 이동성을 가지고 있다. 다시 말하면 그들은 전기장 내에서 서로 다른 속도로 움직인다. 예를 들면 순수한 규소의 경우 상온에서 전자 이동도는 1,500㎠/V·s인 데 비해서, 양공 이동도는 500㎠/V·s 이다. 반도체의 이동도는 일반적으로 온도 상승이나 불순물 농도의 증가와 함께 감소한다.

고유반도체의 전기전도는 매우 작다.

높은 전도도를 얻기 위해서 의도적으로 불순물을 주입할 수 있다(어미원자의 1/1,000,000 정도). 이것이 도핑 과정이다. 예를 들면 규소원자 하나가 비소와 같은 5개의 최외각 전자를 가진 원자로 대치되면, 비소원자는 그 주위의 4개의 규소원자와 공유결합을 형성한다. 5번째 전자는 전도띠에 '제공된' 전도 전자로 된다. 규소는 전자가 첨가되었기 때문에 n-형 반도체가 된다(n-형 반도체). 비소 원자는 주개(donor)이다.

이와 유사하게 그림2-2는 붕소와 같이 3개의 최외각 전자를 지닌 원자가 규소원자를 대체했을 경우, 붕소원자 주위에 4개의 공유결합을 형성하기 위해서 전자 하나가 '받아들여지고' 가전자띠에는 양으로 하전된 양공이 생긴다는 것을 보여준다. 이것은 붕소를 받개(acceptor)로 가지고 있는 p-형 반도체이다(p-형 반도체, 도펀트).

p-n 접합

단결정 구조 내에서 불순물형이 받개(p-형)에서 주개(n-형)로 갑자기 변화하면 p-n 접합이 형성된다(p-n 접합). p쪽에서는 양공이 주된 운반자이며, 따라서 이것은 다수 운반자라고 부른다.

p쪽에서는 열에 의해서 생성된 전자도 얼마간 존재한다. 이들은 소수 운반자라고 한다. n쪽에서는 전자가 다수 운반자이고, 양공이 소수 운반자이다. 접합 근처는 자유전하 운반자가 없는 영역이다. 이 영역은 공핍층(depletion region)이라고 부르는데, 절연체처럼 행동한다.

p-n 접합의 가장 중요한 특징은 그것이 정류 작용을 한다는 것이다.

즉 전류가 한쪽으로만 흐르게 된다. 그림3은 대표적인 실리콘(규소) p-n 접합의 전류-전압 특성을 보여주고 있다. 순방향 인가전압이 p-n 접합에 걸리면(즉 2번째 상한에 나와 있는 것처럼 n쪽에 대해서 p쪽에 양의 전압이 걸리면), 대부분의 전하 운반자는 접합을 가로질러서 이동하고 그결과 많은 전류가 흐를 수 있다. 그러나 역방향 인가전압이 걸리면(3번째 상한), 불순물에 의해서 도입된 전하 운반자는 접합에서 멀어지는 방향으로 이동하기 때문에 처음에는 단지 작은 누설 전류만 흐른다.

전류의 크기는 역방향 인가전압이 증가해도 임계전압에 도달할 때까지 매우 작게 유지되다가 임계전압에서 갑자기 증가한다.

이 갑작스러운 전류 증가를 접합 파괴라고 부르는데, 이것은 보통 그에 의한 전력 소비가 안전한 값 내에 있을 경우에는 비파괴적 현상이다. 부과된 순방향 전압은 보통 1V 미만이지만, 항복전압이라고 부르는 역방향 임계전압은 1V 미만에서 수천 V까지 변화할 수 있다. 이는 접합의 불순물 농도와 그외 소자의 매개변수에 의해 좌우된다(순방향 접합, 역방향 접합).