전자 및 "구멍"

순수한 반도체는 금속에 비해 상대적으로 우수한 절연체이지만 유리와 같은 진정한 절연체만큼 좋지는 않습니다. 반도체 애플리케이션에 유용하기 위해 고유 반도체 (순수한 도핑되지 않은 반도체)는 100억 개의 반도체 원자 중 1개 이하의 불순물 원자를 포함해야 합니다. 이것은 설탕을 실은 철도 객차에 있는 소금 한 알과 같습니다. 불순하거나 더러운 반도체는 금속만큼 좋지는 않지만 훨씬 더 전도성이 있습니다. 왜 그럴까요? 그 질문에 답하기 위해 우리는 아래 그림에서 그러한 물질의 전자 구조를 살펴보아야 합니다.

전자 구조

아래 그림 (a)는 4개의 다른 원자에 공유 결합을 형성하는 반도체의 원자가 껍질에 있는 4개의 전자를 보여줍니다. 이것은 위 그림의 평평하고 그리기 쉬운 버전입니다. 원자의 모든 전자는 공유 전자 쌍인 4개의 공유 결합으로 묶여 있습니다. 전자는 결정 격자 주위를 자유롭게 이동할 수 없습니다. 따라서 고유하고 순수한 반도체는 금속에 비해 상대적으로 우수한 절연체입니다.

(a) 진성 반도체는 완전한 전자 껍질을 갖는 절연체입니다. (b) 그러나 열 에너지는 전자-정공 쌍을 거의 생성하지 않아 전도가 약할 수 있습니다.

열 에너지는 때때로 위의 그림 (b)와 같이 결정 격자에서 전자를 자유롭게 할 수 있습니다. 이 전자는 결정 격자에 대한 전도가 자유롭습니다. 전자가 자유로워지면 정공이라고 하는 결정 격자에 양전하가 있는 빈 자리가 남습니다. . 이 구멍은 격자에 고정되어 있지 않습니다. 그러나 자유롭게 이동할 수 있습니다. 자유 전자와 정공은 모두 결정 격자에 대한 전도에 기여합니다. 즉, 전자는 구멍에 떨어질 때까지 자유입니다. 이것을 재조합이라고 합니다. . 외부 전기장이 반도체에 가해지면 전자와 정공이 반대 방향으로 전도됩니다. 온도를 높이면 전자와 정공의 수가 증가하여 저항이 감소합니다. 이것은 결정 격자와 전자의 충돌을 증가시켜 저항이 온도에 따라 증가하는 금속의 반대입니다. 진성 반도체의 전자와 정공의 수는 같습니다. 그러나 두 캐리어가 외부 필드의 적용으로 반드시 동일한 속도로 움직이는 것은 아닙니다. 이를 표현하는 또 다른 방법은 이동성 전자와 정공은 동일하지 않습니다.

반도체 불순물

순수 반도체 자체는 특별히 유용하지 않습니다. 그러나 반도체는 특정 불순물을 첨가하기 전에 출발점으로 높은 수준의 순도로 정제되어야 합니다.

100억분의 1의 순수한 반도체 물질은 캐리어의 수를 증가시키기 위해 1000만분의 1 정도의 특정 불순물을 첨가할 수 있습니다. 반도체에 원하는 불순물을 추가하는 것을 도핑이라고 합니다. . 도핑은 반도체의 전도성을 증가시켜 절연체보다 금속에 더 가깝습니다.

전자 주게를 도핑하여 반도체 결정 격자 내의 음전하 캐리어 수를 늘릴 수 있습니다. 인처럼. N형이라고도 하는 전자 기증자 도펀트에는 주기율표의 VA족 원소인 질소, 인, 비소 및 안티몬이 포함됩니다. 질소와 인은 다이아몬드의 N형 도펀트입니다. 인, 비소, 안티몬은 실리콘과 함께 사용됩니다.

아래 그림 (b)의 결정 격자는 외부 껍질에 4개의 전자를 가진 원자를 포함하여 인접한 원자와 4개의 공유 결합을 형성합니다. 이것은 예상되는 결정 격자입니다. 외부 껍질에 5개의 전자가 있는 인 원자를 추가하면 실리콘 원자에 비해 격자에 추가 전자가 도입됩니다. 5가 불순물은 5개의 전자 중 4개로 4개의 규소 원자에 4개의 공유 결합을 형성하여 하나의 전자가 남아 있는 격자에 맞습니다. 이 여분의 전자는 일반 Si 원자의 전자처럼 격자에 강하게 결합되지 않습니다. 인 격자 부위에 얽매이지 않고 수정 격자 주위를 자유롭게 이동할 수 있습니다. 1000만 개의 실리콘 원자에 인을 한 부분으로 도핑했기 때문에 수많은 실리콘 원자에 비해 생성된 자유 전자는 거의 없습니다. 그러나 진성 실리콘의 전자-정공 쌍이 적은 것에 비해 많은 전자가 생성되었습니다. 외부 전기장의 적용은 전도대(가전자대 이상)의 도핑된 반도체에 강한 전도를 생성합니다. 더 무거운 도핑 수준은 더 강한 전도를 생성합니다. 따라서 전도성이 낮은 진성 반도체가 좋은 전기 전도체로 변환되었습니다.

(a) 도너 N형 인, 규소(참고용), 억셉터 P형 붕소의 외각 전자 배열. (b) N형 도너 불순물은 자유 전자를 생성합니다. (c) P형 억셉터 불순물은 양전하 캐리어인 정공을 생성합니다.

또한 원자가 껍질에 전자가 3개인 실리콘에 비해 전자가 부족한 불순물을 도입하는 것도 가능합니다. 위의 그림(c)에서 이것은 구멍으로 알려진 빈 공간을 남깁니다. , 양전하 캐리어. 붕소 원자는 4개의 규소 원자에 결합을 시도하지만 가전자대에는 3개의 전자만 있습니다. 4개의 공유 결합을 형성하려고 할 때 3개의 전자는 4개의 결합을 형성하려고 이리저리 움직입니다. 이렇게 하면 구멍이 움직이는 것처럼 보입니다. 또한, 3가 원자는 인접(또는 더 먼) 규소 원자에서 전자를 빌려 4개의 공유 결합을 형성할 수 있습니다. 그러나 이것은 하나의 전자가 부족한 규소 원자를 남깁니다. 즉, 구멍이 인접한(또는 더 먼) 실리콘 원자로 이동했습니다. 구멍은 전도대보다 낮은 수준인 가전자대에 있습니다. 전자 수용체로 도핑 , 전자를 받아들일 수 있는 원자는 정공의 과잉과 마찬가지로 전자의 결핍을 생성합니다. 정공은 양전하 캐리어이므로 전자 수용체 도펀트는 P형이라고도 합니다. 도펀트. P형 도펀트는 반도체에 과량의 양전하 캐리어인 정공을 남깁니다. 주기율표 IIIA족의 P형 원소에는 붕소, 알루미늄, 갈륨 및 인듐이 포함됩니다. 붕소는 실리콘 및 다이아몬드 반도체의 P형 도펀트로 사용되며 인듐은 게르마늄과 함께 사용됩니다.

아래 그림의 전자 전도에 대한 "관 안의 대리석" 비유는 전자의 움직임과 함께 정공의 움직임과 관련이 있습니다. 대리석은 도체인 튜브의 전자를 나타냅니다. 와이어나 N형 반도체에서와 같이 왼쪽에서 오른쪽으로 전자의 이동은 왼쪽에서 전자가 튜브로 들어가고 오른쪽에서 전자가 빠져나가는 것으로 설명됩니다. N형 전자의 전도는 전도대에서 일어난다. 가전자대에 있는 구멍의 움직임과 비교해 보십시오.

관 비유의 대리석:(a) 전자가 관에 들어갈 때 전자는 전도대에서 오른쪽으로 움직입니다. (b) 전자가 왼쪽으로 이동할 때 정공은 가전자대에서 오른쪽으로 이동합니다.

위 (b)의 왼쪽에 정공이 들어가려면 전자를 제거해야 한다. 구멍을 왼쪽에서 오른쪽으로 움직일 때 전자는 오른쪽에서 왼쪽으로 움직여야 합니다. 첫 번째 전자는 튜브의 왼쪽 끝에서 방출되어 구멍이 튜브의 오른쪽으로 이동할 수 있습니다. 전자는 정공의 반대 방향으로 움직이고 있다. 정공이 오른쪽으로 더 멀리 이동함에 따라 전자는 정공을 수용하기 위해 왼쪽으로 이동해야 합니다. P형 도핑으로 인해 가전자대에 전자가 없는 홀. 국부적으로 양전하를 띠고 있습니다. 정공을 주어진 방향으로 움직이려면 원자가 전자가 반대 방향으로 움직인다.

N형 반도체에서 전자의 흐름은 금속 와이어에서 움직이는 전자와 유사합니다. N형 도펀트 원자는 전도에 사용할 수 있는 전자를 생성합니다. 도펀트로 인해 이러한 전자는 주요 캐리어로 알려져 있습니다. , 그들은 극소수의 열 구멍에 비해 대다수이기 때문입니다. 아래 그림(a)의 N형 반도체 막대에 전계를 인가하면 전자는 막대의 음극(왼쪽) 끝으로 들어가 결정 격자를 가로질러 오른쪽에서 (+) 배터리 단자로 빠져나간다. /P>

(a) 전자가 결정 격자를 통해 왼쪽에서 오른쪽으로 움직이는 n형 반도체. (b) 정공이 왼쪽에서 오른쪽으로 움직이는 p형 반도체로, 반대 방향으로 움직이는 전자에 해당합니다.

P형 반도체의 전류 흐름은 설명하기가 조금 더 어렵습니다. 전자 수용체인 P형 도펀트는 정공으로 알려진 국부적인 양전하 영역을 생성합니다. P형 반도체의 다수 캐리어는 정공입니다. 3가 도펀트 원자 사이트에 정공이 형성되는 동안 반도체 막대 주위를 이동할 수 있습니다. 위의 그림 (b)에서 배터리는 (a)에서 반대입니다. 양극 배터리 단자는 P형 막대의 왼쪽 끝에 연결됩니다. 전자 흐름은 P 형 막대를 통해 음극 배터리 터미널에서 나와 양극 배터리 터미널로 돌아갑니다. 양극 배터리 단자용 반도체 막대의 양극(왼쪽) 끝을 떠나는 전자는 오른쪽으로 이동할 수 있는 반도체에 구멍을 남깁니다. 구멍은 왼쪽에서 오른쪽으로 결정 격자를 가로지릅니다. 막대의 음의 끝에서 배터리의 전자가 구멍과 결합하여 이를 중화합니다. 이렇게 하면 막대의 오른쪽 끝에서 다른 구멍이 들어갈 공간이 생깁니다. 정공이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동할 때 실제로는 반대 방향으로 움직이는 전자가 겉보기 정공의 이동을 담당한다는 사실을 기억하십시오.

반도체 생산에 사용되는 요소

반도체를 생산하는 데 사용되는 요소는 아래 그림에 요약되어 있습니다. 가장 오래된 그룹 IVA 벌크 반도체 재료 게르마늄은 오늘날 제한된 정도로만 사용됩니다. 실리콘 기반 반도체는 모든 반도체의 상업 생산의 약 90%를 차지합니다. 다이아몬드 기반 반도체는 현재 상당한 잠재력을 가진 연구 개발 활동입니다. 목록에 없는 화합물 반도체에는 실리콘 게르마늄(Si 웨이퍼의 얇은 층), 실리콘 카바이드 및 갈륨 비소와 같은 III-V 화합물이 포함됩니다. III-VI 화합물 반도체에는 AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al_x가 포함됩니다. Ga_1-x As 및 In_x Ga_1-x 처럼. 그림에 나와 있지 않은 주기율표의 II열과 VI열도 화합물 반도체를 형성합니다.

IIIA족 P형 도펀트, IV족 기본 반도체 재료 및 VA족 N형 도펀트.

위의 그림에서 IIIA 및 VA 그룹을 포함하는 주된 이유는 IVA 그룹 반도체와 함께 사용되는 도펀트를 보여주기 위함입니다. IIIA족 원소는 수용자, P형 도펀트로서 결정 격자에 양의 캐리어인 정공을 남기는 전자를 수용합니다. 붕소는 다이아몬드의 P형 도펀트이며 실리콘 반도체의 가장 일반적인 도펀트입니다. 인듐은 게르마늄의 P형 도펀트입니다.

VA족 원소는 도너, N형 도펀트로서 자유 전자를 생성합니다. 질소와 인은 다이아몬드에 적합한 N형 도펀트입니다. 인과 비소는 실리콘에 가장 일반적으로 사용되는 N형 도펀트입니다. 그러나 안티몬을 사용할 수 있습니다.

검토:

<울>

100억분의 1에 불과한 고유 반도체 재료는 불량 전도체입니다.

N형 반도체에는 5가 불순물이 도핑되어 자유 전자가 생성됩니다. 이러한 재료는 전도성입니다. 전자는 다수 캐리어입니다.

3가 불순물이 도핑된 P형 반도체는 자유 정공이 풍부합니다. 이들은 양전하 캐리어입니다. P형 물질은 전도성입니다. 구멍이 다수의 캐리어입니다.

대부분의 반도체는 주기율표의 IVA족 원소를 기반으로 하며 실리콘이 가장 보편적입니다. 게르마늄은 거의 쓸모가 없습니다. 탄소(다이아몬드) 개발 중입니다.

탄화규소(IVA족) 및 비화갈륨(III-V족)과 같은 화합물 반도체가 널리 사용됩니다.

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<울>

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