고유 반도체 및 비고유 반도체

순수 반도체는 열적으로 생성된 전자-정공 쌍을 통해서만 전도되지만, 의도적으로 도너(donor) 또는 억셉터(acceptor) 불순물을 첨가하면 전도도를 제어할 수 있는 n형 또는 p형 물질로 변환됩니다.

Definition

고유 반도체는 밴드갭을 가로지르는 열적 여기를 통해 동일한 수의 전자와 정공이 생성되는 순수 결정이며, 비고유 반도체는 특정 유형의 캐리어를 과도하게 생성하여 n형 또는 p형으로 만드는 도너 또는 억셉터 불순물로 도핑된 반도체입니다.

Scope

이 주제는 전자와 정공 농도가 동일하고 밴드갭을 가로지르는 열적 여기(thermal excitation)에 의해 결정되는 고유 반도체와, 도너 또는 억셉터 불순물이 다수 캐리어를 공급하는 비고유(도핑된) 반도체를 구별합니다. 또한 얕은 도너 및 억셉터 준위, 이온화, 프리즈아웃(freeze-out), 비고유 및 고유 온도 영역, 그리고 그 결과로 나타나는 캐리어 농도의 온도 의존성을 다룹니다. 이는 이어지는 캐리어 통계 및 접합 주제의 기초를 마련합니다.

Core questions

• 순수 반도체에서 캐리어는 어떻게 생성되며, 고유 농도가 온도에 따라 급격히 증가하는 이유는 무엇입니까?
• 도너 및 억셉터 불순물은 어떻게 n형 및 p형 물질을 생성합니까?
• 도펀트 에너지 준위가 얕은 이유는 무엇이며, 이온화는 온도에 따라 어떻게 달라집니까?
• 캐리어 농도의 프리즈아웃, 비고유 및 고유 영역은 무엇입니까?

Key concepts

• 고유 캐리어 농도
• 도너 및 억셉터 불순물
• n형 및 p형 물질
• 얕은 불순물 준위 및 이온화
• 프리즈아웃, 비고유 및 고유 영역

Clinical relevance

비고유 물질을 고유 물질과 구별하는 제어된 도핑은 모든 반도체 소자의 기본입니다. 도펀트(dopant) 유형과 농도를 선택함으로써 다이오드, 트랜지스터 및 집적 회로를 형성하는 영역의 캐리어 밀도와 전도도를 설정할 수 있습니다.

History

반도체 전도에서 불순물의 역할은 1930년대와 1940년대에 명확해졌으며, 1940년대 후반과 1950년대 초 벨 연구소(Bell Labs)에서 제어된 도핑과 단결정 성장 기술이 개발되면서 재현 가능한 n형 및 p형 물질이 가능해졌고, 이는 트랜지스터와 반도체 산업의 발전을 가능하게 했습니다.

Key figures

• William Shockley
• Gordon Teal
• Walter Brattain

Seminal works

• sze2007
• ashcroft1976

Frequently asked questions

도펀트가 도너 또는 억셉터가 되는 이유는 무엇입니까?

도너는 대체하는 호스트 원자보다 원자가 전자가 하나 더 많아 쉽게 전자를 전도대(conduction band)로 내어줍니다(n형). 억셉터는 원자가 전자가 하나 더 적어 원자가대(valence band)에서 전자를 포획하여 정공을 남깁니다(p형).

고유 반도체는 가열될 때 왜 더 잘 전도됩니까?

온도를 높이면 더 많은 전자가 밴드갭을 가로지를 충분한 에너지를 얻게 되어, 전류를 운반할 수 있는 전자-정공 쌍의 수가 기하급수적으로 증가합니다. 이는 가열 시 전도도가 떨어지는 금속과는 반대되는 현상입니다.