도핑(Doping) 의 개념

반도체 생산과정에서 사용되는 도핑(Doping)은, 진성반도체(Intrinsic Semiconductor)에 불순물을 첨가하여 특정 성질을 띄게하는데에 목적이 있다.

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위와 같이 실리콘으로 이루어진 진성 반도체에 도핑을 하면 어떻게 되는지 알아보자.

우선 실리콘은 4족 원소로 최외각 전자가 4개 존재하는 상태이다.

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이때, 3족원소로 도핑을 하느냐, 5족 원소로 도핑을 하느냐에 따라 반도체의 성질이 달라지게 되는데, 3족 원소로 도핑을 할 경우를 n형 반도체(n-type semiconductor), 5족 원소로 도핑을 할 경우를 p형 반도체(p-type semiconductor)라고 한다.

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먼저 5족 원소인 인(Phosphorus)로 도핑 할때를 알아보자. 위와같이 P를 첨가한 경우다. 이때 P는 5족 원소이기때문에, 최외각 전자중 4개만이 다른 실리콘 원소와 공유 결합을 하고 하나의 자유전자가 생기게 된다. 또, P는 전자를 주는 역할이기 때문에 Donor(도너), 또는 Donor atom 이라고도 한다.

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즉, P를 더 많이 넣으면 넣을수록, 도핑 농도가 증가하는 것이고, 자유전자가 증가하여 전도성을 증가시킬 수 있다.

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위와 같은 반도체를 불순물 반도체(Extrinsic semiconductor)라고 하며, 위와 같이 도핑을 하여 추가적인 자유전자가 생겨 n형반도체 라고 한다.

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다음은 3족원소로 도핑할때를 알아보자.

인(P)대신 붕소(Boron)으로 도핑을 한 경우다. 인으로 도핑을 할때와 달리, 붕소는 3족 원소이기 때문에, 실리콘 원소 4개와 모두 결합을 할 만큼 최외각 전자의 개수가 충분하지 않다. 3개의 최외각 전자밖에 가지고 있지 않기 때문에, 3개의 전자만 공유 결합을 하고, 한개의 정공이 생기게 된다. 붕소는 전자의 빈자리인 정공이 생긴다는 이유로 Acceptor atom, 또는 Acceptor(액셉터)​ 라고도 한다.

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위와 같이 3족 원소를 도핑하여 추가적인 정공이 생기게 될때의 반도체를, p형반도체(p-type semiconductor)라고 한다.

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참고 : 물론 3족 원소나 5족 원소 외에도 도핑을 할 수도 있다. 같은 논리라면 2족 원소로 도핑을 할 경우에는 2개의 정공이 생기고 6족 원소로 도핑을 할 경우 2개의 전자를 생성해 더 효율이 좋을 것 같지만, 실제로는 6족 원소로 도핑하는 것보다, 5족 원소 도핑을 두 번 하는 것이 효율적이라고 한다.

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순수한 실리콘에서는, 자유전자의 수와, 정공의 수가 동일하다는것을 기억할 것이다(해야된다!).

전자가 나오는 만큼 정공이 생기니까!

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하지만 만약에, 순수한 실리콘에

 

개의 도너( Donor)를 첨가한다면 어떻게 달라질까? 한번 알아보도록 하자.

먼저 자유전자의 밀도는

 

일것이다. (1개의 Donor마다 1개의 전자가 생겨나므로)

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약간 의아해 할 수도 있는게, 이미 자유전자가 존재하는데 도너를 첨가하면 Nd에 기존에 있던것까지 더해줘야되는것 아닌가? 라고 생각할 수 있는데, 첨가하는 도너 입장에서는 이미 기존에 있던 전자는 무시할만큼 작은 양이기 때문에 상관없다.

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(순수한 실리콘에서의 자유전자 밀도는 1010 /cm3이지만, 추가하는 도너는 1015~17/cm3정도이다.)

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순수한 실리콘에 도너를 첨가했을때의 상황을 관찰하기 위해,

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n : 자유전자의 밀도

p : 정공의 밀도 라고 해보자.

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순수한 실리콘에서는,

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n = p = ni 이고, np = ni^2이다. 그런데! Nd개의 도너를 첨가하면 n 이 증가하는데, p 는 어떻게 되는걸까?

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신기하게도 도핑이 된 실리콘​에서도

 

np = ni^2 는 성립한다. 또, Nd개의 도너를 첨가해줬으므로,

 

마찬가지로 p형반도체와 액셉터에 대해서도 똑같이 생각해보면,

중요한 식이다! 기억하도록 하자!

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