반도체 스위치 도핑

안녕하십니까

전력전자와 각종MCU를 공부하고 최종적으로 작품을 만드는 전자 장인 입니다 

 

오늘의 주제는

반도체 소자의 기본 개념 및 이론

 

지난 시간 반도체 용어를 익혔습니다.

이번 시간에는 반도체 소자에 관한 기초를 공부하는 시간을 가지도록 하겠습니다.

물질에 따른 특징과 스위치에 사용하는 반도체 특성, 도핑 등에 대하여 공부하겠습니다.

 

1. 물질에 따른 전류 도통

전류는 전기장 인가에 따른 자유 전자(전하)의 움직임으로 물질에 따라 자유전자의 수가 매우 다양합니다.

구리, 은 등등 금속류에 자유전자 > 10²³ [개/cm³]이며,

석영, 알루미늄 등은 자유전자 < 10³ [개/cm³]를 포함하고 있습니다.

또한, 반도체에 사용되는 규소(SI), 갈륨비소(GaAs)는 자유전자 (10⁸~10¹⁹) [개/cm³]의 자유전자를 가지고 있습니다.

이렇게 반도체에 사용되는 물질은 자유전자가 너무 많이 있지도 않으며 너무 적은 수도 아닌 물질을 사용하게 됩니다.

 

2. 스위치에 사용하는 반도체 특성

스위치에 사용되는 물질은 금속 및 절연체를 사용하게 되고

두 물질의 자유전자 농도는 항상 일정하게 유지됩니다. 따라서 전기 전도도가 일정하다고 말할 수 있습니다.

 

사용자가 원하는 동작을 위하여 자유전자 농도를 조절할 수 있습니다.

반도체 소자의 자유전자 농도를 조절하는 방법은 불순물을 도핑(doping)하거나 전기장 인가를 통해

자유전자 농도 조절이 가능합니다.

자유전자를 조절하게 되면 전기 전도도를 조절할 수 있으며, 전류 흐름을 조절할 수 있습니다.

따라서 전류를 흐르게 하거나 차단하는 등 스위치 역할을 할 수 있습니다.

 

3. 전자(electrons) 및 홀(holes)

규소(SI)로 이루어진 격자 구조를 가진 물질을 예로 설명드리겠습니다.

14족 원소인 규소는 최외각 전자가 4개 존재하는 물질입니다.

이러한 규소를 서로 결합시키면 4개의 원자가 서로 이웃하는 격자 구조가 형성되고

각 원자는 공유 결합 상태를 유지하기 때문에 전기적 중성을 띄고 있습니다.

 

규소 공유결합

 

하지만 Thermal ionization(열 이온화) 작용으로 인하여 공유결합이 파괴될 수 있습니다.

공유결합 파괴는 절대 영도 이상에서 확률적으로 파괴됩니다.

이러한 파괴는 열 평형을 유지하기 위한 원자들의 에너지에 의해 발생하게 됩니다.

이렇게 열 이온화로 자유전자가 탈출하게 되면, 전자가 있었던 자리는 구멍이 생기게 되고

양전하(정공 , hole)가 만들어집니다. hole은 전자에 비해 +극을 가진다고 표현할 수 있습니다.

따라서 순물질에서 열 이온화로 자유전자가 만들어지기 때문에 자유전자의 수 = 정공의 수가 됩니다.

 

4. 도핑(Doping)

순물질에서 자유전자 수 = 정공 수이므로 불순물을 투입하여 자유전자 및 정공 농도 조절이 가능합니다.

대표적으로는 13족 원소인 붕소, 15족 원소인 인 등의 원소들을 도핑하게 됩니다.

 

1. P-doping

붕소는 최외각 전자 수가 3입니다. 

따라서 붕소를 도핑하여 반도체 내 정공 수를 증가시켜 반도체 극성이 P(+)로 만들 수 있습니다.

P형 반도체는 정공 수 > 자유전자 수입니다.

Majority carrier는 정공이며 Minority carrier 자유전자입니다.

P형 반도체

2. N-doting

인은 최외각 전자 수가 5입니다.

따라서 인을 도핑하여 반도체 내 전자 수를 증가시켜 반도체 극성을 N(-)로 만들 수 있습니다.

N형 반도체는 자유전자 수 > 정공 수입니다.

Majority carrier는 전자이며 Minority carrier 정공입니다.

N형 반도체

오늘은 반도체 스위치를 공부하기 전 도핑에 관하여 공부하였습니다.

다음 시간에는 P형 반도체와 N형 반도체를 결합한 PN 접합에 대하여 공부하는 시간을 가지겠습니다.

감사합니다