반도체 기초 - 진성반도체, P형, N형, PN접합

조금은 과학적인(물리적인) 얘기를 해볼까 합니다. 반도체는 전류가 잘 통하지도 안 통하지도 않는, 도체와 부도체의 중간 성질을 가지는 물질입니다. 순수한 반도체를 진성반도체(Intrinsic semiconductor)라고 합니다. 어떤 불순물을 넣느냐에 따라 도체나 부도체가 되기도 하고 전류적 성질이 달라지기도 합니다. 기본적인 내용을 알고 가면 반도체 관련 글들을 이해하는데 도움이 될 것으로 생각됩니다

 

• 전하 : 전기현상을 일으키는 원인으로, 어떤 물질이 갖고 있는 전기의 양
• 전도도(conductivity)  : 물체에 전기가 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 정도

반도체 기초 - 반도체란 무엇인가

반도체 기초 - 트랜지스터, MOSFET

반도체 기초 - FinFET, GAA, MBCFET, CFET, Forksheet

---

1. 실리콘(Si)

Si 는 반도체에서 사용되는 기본적인 물질입니다. 반도체 공정의 기판(Substrate)으로 사용되는 물질으로서, Si 기판 위에 여러 물질을 첨가하고, 회로를 그려서 반도체 칩을 만들게 됩니다.

 

실리콘은 주기율표에서 14족에 해당하는, 전자를 4개 가지고 있는 원자 입니다. 모든 원자는 전자를 8개 가져서 안정해지려는 특성이 있습니다. 없던 전자를 만들 수는 없지만, 서로의 전자를 공유해서 총 8개를 가지고 있을 수는 있습니다. 실리콘은 전자를 4개 공유하고, 4개를 공유받으면서 안정된 구조를 가지게 됩니다.

---

2. 진성반도체(실리콘)

진성반도체란 불순물을 첨가하지 않은 순수한 상태의 반도체를 말합니다. 순수한 반도체도 전류가 아에 안통하지는 않습니다. 대표적인 예시로 순수한 실리콘이 있습니다. 전류가 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 지표인 전도도 (conductivity) 도 금속인 금(4.11 * 10^7) 보다는 낮지만, 나무 (10^-16) 보다는 현저히 높습니다.

Material	Conductivity
Gold	4.11×10^7
Si	4.35×10^−4
Wood	10^−16 to 10^−14

 

---

3. n형반도체 (n-type), p형반도체(p-type)

진성반도체에 전자를 5개 가지고 있는 원자를 집어넣으면, 4개씩 전자를 공유하던 실리콘 사이에서 전자가 1개 남게 됩니다. 전자는 음(negative,-)의 전하를 가지고 있습니다. 즉 남는 전자를 가지고 있는 반도체를 n형 반도체라고 합니다.

반대로 진성반도체에 전자를 3개 가지고 있는 원자를 넣게 되면 전자가 1개 부족하게 됩니다. 즉 전자가 없는 남는 공간이 들어가게 됩니다. 이는 양의 전하(positive,+)를 가지는 빈자리가 돌아다니는 것과 같은 모양입니다. 꽉 찬 물병에서 작은 공기방울이 돌아다니는 것과 비슷합니다. 정공(홀,hole)을 가지고 있는 반도체를 p형 반도체라고 합니다.

N형 반도체에서의 전자, P형 반도체에서의 정공이 반도체 내에서 전하의 역할을 주로 하기 때문에 이를 다수 캐리어(majority carrier)라고 합니다.

---

4. PN접합(P-N junction)

P형 반도체와 N형 반도체를 붙이는 것을 P-N접합이라고 합니다. N형과 P형 반도체를 붙이면 N형반도체의 전자(electron)와 P형반도체의 홀(Hole)이 만나서 결합하여 재결합(Recombination) 하게 됩니다. 이때 재결합이 일어나면서 n형도 p형도 아닌 전기적으로 중성적인 영역이 존재하게 되고 이를 공핍영역(depletion region) 이라고 합니다. 물론 전자와 홀이 없어진 만큼 n형 반도체의 어디선가 전자가 다시 생기고, p형반도체의 어디선가는 홀이 새로 생기게 됩니다. 이를 전하의 생성(generation)이라고 합니다.

 

그렇다면 두 개의 반도체를 왜 붙일까요? 왜냐하면 두 개를 붙임으로써 비로소 전기적인 기능을 하는 소자를 만들어 줄 수 있기 때문입니다. P,N형 반도체 1개를 붙인 가장 간단한 형태의 소자를 살펴보겠습니다.

 

4-1. 순방향전압(Forward bias)

건전지를 사용해서 P영역에 +전압을 걸고, N 영역에 -전압을 걸어보겠습니다. 그럼 같은 +를 가지는 정공은 반대쪽으로 밀려나게 됩니다. 마찬가지로 N영역에 걸린 (-)전압이, (-)전하를 가지는 전자를 반대쪽으로 밀어내게 됩니다. 그 결과로 공핍영역은 작아져서 전하들이 공핍영역을 쉽게 통과할수 있게 됩니다. 홀은 건전지의 (-)극으로, 전자는 건전지의 (+) 극으로 더 잘 흐르게 되어 전류가 잘 흐르게 됩니다.

 

4-2. 역방향전압

반대로 P영역에 (-) 전압을 걸고, N영역에 (+) 전압을 걸어보겠습니다. 그러면 (+)를 가지는 정공은 건전지의 (-)극으로 끌리게 됩니다. 마찬가지로 (-)를 가지는 전자는 건전지의 (+)극으로 끌리게 됩니다. 공핍영역은 더욱 넓어지게 되고 전류는 거의 흐르지 않게 됩니다.

전압을 걸어주는 방향에 따라 전류가 잘 흐를수도 있고, 잘 흐르지 않을수도 있는 이 소자를 다이오드(diode) 라고 합니다. 전류를 한쪽 방향으로 흐르도록 제어하는 역할을 하는 것 입니다.

---

5. 전하 생성과 재결합 (Carrier generation and recombination)

다시 진성반도체의 예시를 생각해보겠습니다. 실리콘은 모든 전자를 공유하고 있기 때문에, 남는 전자나 정공이 없어서 전기가 통하지 않는 물질 이어야 합니다. 하지만 실리콘은 부도체가 아닌 반도체 입니다. 왜냐하면, 반도체 안에서 계속해서 전자-정공 쌍 (Electron-hole pair)이 만들어 지기 때문입니다.

공유되고 있는 전자중 몇몇은 열 에너지 혹은 우연의 일치로 순간적으로 에너지가 높아져서, 실리콘 원자의 구속을 뚫고 자유 전자처럼 움직이게 됩니다. 그리고 그 빈자리에는 정공이 생기게 됩니다. 매우 적은 숫자이지만 마치 P형,N형 반도체에서 처럼 전자와 정공이 돌아다니고 있는 것 입니다. 이렇게 한 쌍의 전자-정공 (Electron-hole pair)이 계속해서 만들어 지는 것 입니다. 이를 전하 생성(generation) 이라고 합니다. 그리고 이렇게 돌아다니던 전자와 정공이 우연히 만나서, 그 자리로 들어가게 되면 이를 재결합(Recombination)이라고 합니다.

진성반도체 뿐만 아니라 N형 반도체와 P형 반도체에서도 전하의 생성과 재결합은 일어나게 되어, N형 반도체에서도 아주 작은 양의 정공이 돌아다니고 P형반도체에서도 아주 작은 양의 전자가 돌아다니게 됩니다. N형 반도체에서의 정공, P형 반도체에서의 전자는 소수 캐리어(minority carrier)라고 합니다.