P형 반도체
주요 전하 운반자(나르개)로 양공 (홀)이 사용되는 반도체이다. 양의 전하를 가지는 양공이 나르개로서 이동해서 전류가 생긴다. p형 반도체는 실리콘과 동일한 14족 원소의 진성 반도체에, 미량의 13족 원소 (붕소, 알루미늄등)을 불순물로 첨가해서 만들어진다. 14족 원소보다 원자가 전자가 하나 적은 13족 원소를 첨가하게 되면 반도체에 양공이 생기게 된다. 이때 외부에서 에너지를 가하면 양공 가까이에 있는 전자가 양공을 메우기 위해 이동하고 이 과정에서 양공이 이동하여 전류가 흐르게 된다.(전자가 이동하면 이동하기 전의 자리가 양공이 되므로 양공이 이동하는 것처럼 보이고 그 방향은 전류의 방향과 같다.)
N형 반도체
전하를 옮기는 캐리어로 자유전자가 사용되는 반도체이다. 음의 전하를 가지는 자유전자가 캐리어로서 이동해서 전류가 생긴다. 즉, 다수 캐리어가 전자가 되는 반도체이다. 예시로, 실리콘과 동일한 4가 원소의 진성 반도체에, 미량의 5가 원소 (인, 비소등)을 불순물로 첨가해서 만들어진다.
N형 반도체를 만들기 위한 불순물을 도너라고 하며, 이 불순물에 의해서 형성된 준위를 도너 준위라고 부른다.
음의 (negative) 전하를 가지는 자유전자가 다수 캐리어인 것으로부터, negative의 머리글자를 취해서 N형 반도체로 불린다.
전자공학에서는 n형 반도체라고도 표기된다.
도체 : 전기가 잘 통하는 물질
반도체 : 전기 전도성이 도체와 부도체 중간 정도인 물질
부도체 : 전기가 잘 통하지 않는 물질 (절연체)
반도체나 부도체는 전류가 흐르기 위해서는 원자가 띠의 에너지를 가진 전자가 띠 간격보다 큰 에너지를 얻어 전도띠로 전이해야 한다.
고유(진성) 반도체는 불순물 없이 완벽한 결정 구조를 가지는 반도체로 원자가 전자가 4개인 규소(Si), 저마늄(Ge) 등이 있다.
규소의 경우 주위의 원자 4개와 공유 결합.
- 자유 전자 : 원자가 띠에 있던 전자가 띠 간격 이상의 에너지를 얻어 전도띠로 전이된 전자, 작은 에너지만 얻어도 자유롭게 움직일 수 있다.
- 양공 : 원자가 띠에 전자가 채워질 수 있는 빈자리로 이웃한 전자가 채워지면서 움직일 수 있기 때문에 양전하를 띤 입자와 같은 역할
불순물 반도체는 종류에 따라 p형과 n형 반도체로 분류할 수 있다. 순수 반도체에 불순물을 첨가하여 불순물 반도체로 만들어 성질을 바꾸는데 이를 도핑이라고 한다.
N형 반도체
원자가 전자가 4개인 규소에 원자가 전자가 5개인 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등을 첨가하면 5개의 원자가 전자 중 4개는 규소와 결합하고, 남는 전자 1개가 원자에 약하게 속박되어 자유롭게 이동이 가능. 이때 전자가 전하 운반자 역할을 한다고 볼 수 있다.
규소에 불순물로 인을 첨가하면 전도띠 바로 아래에 나는 전자에 의한 새로운 에너지 준위가 만들어져 전자가 작은 에너지로도 쉽게 전도띠로 이동이 가능하여 전류가 흐를 수 있게 된다.
P형 반도체
원자가 전자가 4개인 규소에 전자가 3개인 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등을 첨가한다. 그러면 규소 원자에 비해 전자 1개가 부족하여 양공이 생기게 된다. 주변의 전자가 양공을 채우면 전자가 빠져나간 저리에 새로운 양공이 생긴다. 이렇게 양공이 전하 운반자 역할
규소에 불순물로 붕소를 첨가하면 원자가 띠 바로 위에 양공에 의한 새로운 에너지 준위가 만들어져 원자가 띠의 전자가 작은 에너지로도 양공의 에너지 준위로 쉽게 이동이 가능하여 전류가 흐를 수 있게 된다.
|
|
p형 반도체
|
n형 반도체
|
|
양공
|
전도띠로 전자가 전이한 빈자리
불순물에 의해 생김
|
전도띠로 전자가 전이한 빈자리
|
|
자유 전자
|
전도띠로 전자가 전이하여 생김
|
전도띠로 전자가 전이하여 생김
불순물에 의해 생김
|
|
-
|
양공의 수 > 자유 전자의 수
|
양공의 수 < 자유 전자의 수
|
|
주요 전하 운반자
|
양공
|
자유 전자
|
p-n 접합 다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합하여 양 끝에 전극을 붙인 것이다.
p형 반도체에는 전원의 (+)극을, n형 반도체에는 전원의 (-)극을 연결하면 순방향 전압이 걸린다. 양공과 전자가 접합면으로 이동하여 결합하게 되고 전류가 흐르게 된다.
반대로 p형 반도체에는 전원의 (-)극을, n형 반도체에는 전원의 (+)극을 연결하면 역방향 전압이 걸린다. 양공은 (-)극 쪽으로, 전자는 (+)극 쪽으로 모여 전류가 흐르지 않는다.
양공, 陽孔, Positive hole ,정공(正孔)
양공은 전자들이 본래 자리에서 빠져서 생긴 '구멍'을 마치 양전하를 가진 입자처럼 취급하여 이르는 말이다.
전자가 움직이면 본래 전자가 있던 자리는 비어 있게 된다. 빈 허공인 것이다. 전자들이 지속적으로 움직이면 그와 반대되는 방향으로 지속적으로 빈 허공들이 생겨난다. 화면에서 영상속 물체가 움직이는 원리를 생각해보자. 실제로 움직이지 않지만 화면을 이루는 작은 전구인 픽셀들이 차례로 빛나고, 먼저 빛난 픽셀은 점별하기 때문에 마치 움직이는 것처럼 보인다. 양공도 전자의 흐름 때문에 빈 허공이 마치 실제 입자인냥 반대 방향으로 움직이는 느낌을 준다. 그래서 이를 전자와 반대의 전하인 양전하로 취급한다. 이런 일을 하는 이유는, 모든 전자의 움직임을 일일이 계산하는 것보다 전자 스핀을 통한 양전하 몇 개의 움직임만을 계산하는 게 더 쉽기 때문이다. p-n형 반도체, 다이오드와 트랜지스터의 설명 및 설계에 계산량을 줄이기 위해선 필히 사용해야 하는 개념이다. 전하 운반자의 역할을 하는 것은 전자와 같으며 대개 이동도(mobility)가 전자보다 작아서 빠른 동작을 하는 장치에 이용하기 어려운 편이다.
양공이라고 마치 입자처럼 이야기하지만 실제로 존재하는 구멍이 아니라 가상의 개념이다. 자력에서도 주변 입자들간의 상호작용을 이용해 가상의 자기 홀극을 만들 수 있지만 당연히도 자장의 배열에 따라 생겨날 뿐이지 이동가능한 자기 홀극이 실존하는 것은 아니다. 양공도 마찬가지로 개념상 전자가 이동할 수 있는 위치를 가상으로 일컫는 것이지 실제로 전자가 끼어들어갈 수 있는 자리가 비어있는 것은 아니다. 원자에 매여있는 전자를 떼어내는데 어마어마한 에너지와 전압이 필요하므로 반도체 레벨에서 가능한 것이 아니다. 그럼에도 반도체 공학에서 당연하게 양공을 가정하는것은 그렇게 입자처럼 취급하면 계산이 편하기 때문. 공학에서는 실제 원리보다는 결과만 맞고 그것이 더 편하면 원리는 아무래도 신경쓰지 않는다. 물론 이걸 이론으로서 새로운 개념에 적용하려하면 당연히 문제가 생긴다. 이는 전류와 전자 이동방향이 반대라는 뿌리깊은 모순에서 비롯하는 것으로 어디까지나 전하를 운반하는것은 전자 뿐이라는 것을 간과해선 안된다.
때문에 양공을 본 뜻대로 '전자의 구멍'으로 서술할 경우 관련 전공에 발바닥이라도 담그지 않았다면 이해가 어려울 수 있어 보통 고등학교의 교육과정에서는 전자와 같이 하나의 입자로 취급한다. 고전적인 전류 방향(그러니까 +에서 -로 흐르는)과 이동 방향이 같기도 하고.
보통 영어 단어를 음차해서 홀이라고 부른다. 한국어로 번역해야 할 경우 일본 쪽의 번역을 따라 정공(正孔)이라고 부르며 특히 공학 계열에서 이런 경향이 강하나 현재 표준인 단어는 항목명인 양공(陽孔)이다. 이는 일본어와 한국어의 언어 차이 때문인데, 한국에서 '陽/陰'을 써서 양/음전하라고 부르는 것을 일본에서는 '正/負'를 써서 정/부전하라 부르기 때문이다.