#1 반도체란? (3) 전류가 흐르는 경우

#1 반도체란? (3) 전류가 흐르는 경우

이번글에선 반도체가 전기가 통하는 ‘특정 상황'에 대해 알아봅시다!

이전글에서 설명 했듯이, 전기가 통한다는 것은 어떤 물질에 전압이 가해졌을때 그 힘을따라 전하가 움직이는 것이고,

실리콘 안에서 양성자는 원자핵 안에 갖혀있고 전자는 공유결합에 쓰였기 때문에 움직일 전하가 없는 상태입니다.

그래서 실리콘에 전기가 통하는 특정 상황이란.. 결국, 움직일 수 있는 전하를 만들어 주면 되는것이고 크게 두가지 방법이 있습니다.

1)열이나 빛 등의 에너지를 이용하는 방법

2)불순물을 섞는 방법, 외인성(Extrinsic) 반도체

1)열이나 빛 등의 에너지를 이용하는 방법

실리콘 단결정에 열을 가하거나 빛을 비추면 전기가 통할수 있게 되는데, 그 이유는 실리콘 원자의 구조에 있습니다.

위 그림처럼 전자가 원자핵 주위의 일정한 궤도를 돌고 있기 때문에,  첫번째 / 두번째 / 세번째 궤도의 전자에 미치는 양성자의 힘(양전하)이  각각 다르게 됩니다.

양성자와 가까운 전자를 더 강하게 끌어당기고 먼 전자는 덜 당기는 거죠. (사실 양성자와 전자는 서로를 똑같이 당기고 있지만, 전자가 훨씬 가벼워서 양성자가 끌어당기는 것입니다..)

위 그림에서 화살표의 방향과 갯수로.. 당겨지고 있는 전자의 에너지 상태를 생각해봅시다.

원자핵과 가장 가까운 궤도의 전자는 화살표 세개만큼 ‘당겨’지고 있으니 ‘-‘3

두번째 궤도의 전자는 화살표 두개만큼 당겨지고 있으니 -2

세번째 궤도의 전자는 화살표 한개만큼 당겨지고 있으니 -1.. 

마지막 궤도의 전자가 가장 큰 에너지를 갖고 있죠? (-3 < -2 < -1 순..)

이 말은, +1 만큼의 어떤 에너지가 생기면 첫번째 궤도의 전자는 -2가 되고 / 두번째는 -1 / 세번째 궤도의 전자는 0이 되어 끌어당기는 양성자의 힘으로부터 자유로워 지는것을 의미하게되고… 이렇게 구속하던 힘이 사라져 자유롭게 움직일 수 있는 전자를 ‘자유전자'라고 부릅니다.

자유전자는 전압이 걸리면 자기 자리가 없기때문에 자신을 당기는 양전압 방향으로 이끌려가면서 전류가 흐르게 됩니다.

아래 그림 처럼요.

<전류 / 전기는 양전하 혹은 음전하 혹은 둘 다의 이동에 의해 생긴다>

그래서 열이나 빛 에너지가, 원자핵과 최외각 전자간의 결합을 끊으면.. 자유전자가 만들어지고 반도체는 전기가 통하는 상태가 되는것이죠!

그런데!! 반도체는 우리 생활속에서 휴대폰이나 전자기기속에 들어있는 물질인데 계속해서 빛이나 열을 가해줄수가 없겠죠??

이때문에 다른 방법으로 전기가 통하는(전류가 흐르는) 반도체를 만듭니다.

그럼 두번째 방법인 불순물을 섞는 것을 알아봅시다.

2)불순물을 섞는 방법, 외인성(Extrinsic) 반도체

‘움직일 수 있는 전하를 만든다!’라는 핵심은 같습니다.

순수한 실리콘들이 촘촘하게 공유결합하고 있는 진성 반도체에 다른 원소를 끼워넣어서 이동 가능한 전하를 만드는 것입니다.

쉬운 이해를 위해.. 최외각전자가 5개인 P(인, Phosphorus)를 넣는 경우를 생각해봅시다.

P는 실리콘과 똑같이 주변의 원자들과 공유결합하면서 최외각전자가 있어야할 가장 바깥쪽 궤도에 8개의 전자를 채우게 됩니다.

주변과 모두 공유결합 하면서 전자 4개를 사용했고 남은 전자는 버려져 자유전자가 됩니다.

<실리콘 사이에 15번 원소 P가 들어가면서 남는 전자가 생김>

<15번 원소, P / 인 / Phosphorus>

마찬가지로, 자유전자가 생겼으니 전압이 걸리면 전기가 흐를 수 있게 되었습니다!

실리콘 외적인 다른 요인에 의해 전기가 흐르는 반도체가 되었죠??

그래서 이것을 외인성(Extrinsic) 반도체라고 합니다.

또한, 전기를 흐르도록 하기위한 관점에서 P는 이로운 것이지만 실리콘 입장에선 순수하지 못한 녀석입니다. 불순물이죠..

그래서 이것을 불순물 반도체라고 부르기도 합니다.

이쯤에서 정리 한번 봅시다.

(1) 진성 반도체에는 움직일 수 있는 전하가 없다.

(2) 움직일 전하를 만들어 주기위해 인위적으로 불순물을 넣었다. 

    (이러한 행위를 ‘doping’이라고 하는데, 운동선수들 도핑테스트랑 비슷한 겁니다.)

(3) 이것을 외인성(Extrinsic) 반도체라 한다.

그런데 여기서 꼭 아셔야 할 것은.. 15번 원자인 P를 도핑했기 때문에 자유전자가 생겼고 전류가 흐를 수 있게 된것이 아니라,

최외각 전자가 5개인 원소를 넣었기때문 이라는 점입니다.

무슨 말이냐면, 꼭 P가 아니더라도 최외각 전자가 5개일때 주변의 실리콘과 공유결합하고 잉여전자가 생긴다는 것입니다.

잠시 주기율표를 확인해 봅시다.

<15족 원소, 원자가 전자의 갯수때문에 13 ~ 15족을 3족, 4족, 5족이라 부르는 경우도 많습니다..>

저도 편의상 3, 4, 5족이라 부르겠습니다..!

위 그림에서 최외각 전자가 5개인 5족의 원소들을 실리콘에 도핑하면(끼워 넣으면) 4개의 전자는 공유결합 하고 1개의 전자가 남게됩니다.

이런 식으로 자유전자를 만들어서 전기가 흐르게되는 반도체를 'N-Type 반도체’라고 합니다.

N은 Negative를 의미하는데, 전자가 음전하를 띄고 음전하의 이동에 의해서 전류가 흐르게 되기때문에 붙여진 이름입니다.

그럼 Positive Type도 있지 않을까요??

'P-Type 반도체’는 양전하의 움직임으로 전류를 만드는 것입니다.

그런데 양전하..하면 생각나는 녀석이 원자핵 안의 양성자 밖에 없는데,

이 양성자는 움직일 수 없는 상태기 때문에..  진성 반도체의 결정 안에서 양전하를 띄는 ‘Hole(정공)’이라는 녀석이 등장합니다.

Hole 이라는 말처럼 얘는 그냥 빈구멍같은 녀석인데,

실리콘에 최외각 전자가 3개인 3족 원소들을 도핑하면 실리콘의 전자 하나가 공유결합하지 못한채로 남게 됩니다. 아래의 그림 처럼요!

원래 전자가 있어야할 자리에 빈공간이 생겼죠?

그래서 이 빈공간은 주변의 전자들에 비해 상대적으로 양전하를 띄게되고.. 전압이 걸리면 (-)극으로 끌려가게 되죠.

그런데, 빈공간이 양전하를 띄고.. 이녀석의 움직임으로 전류가 흐르게 된다라는게 잘 와닿지 않기 때문에…

Hole(그냥 구멍이라고 얘기할께요.)의 움직임을 ‘물’과 ‘구멍’에 빚대어 설명해 보겠습니다.

어떤 큰 용기에 물이 가득 차있으면 아무런 변화가 없지만, 어떠한 이유로 갑자기 큰 구멍이 생겼다면 물과 구멍은 아래의 과정처럼 움직일 겁니다.

<물방울의 이동인가 물의 이동인가...>

1) 주위의 물이 빈구멍을 채운다.

2) 빈구멍을 채운 물이 있던 공간이 비어버린다.

3) 또다시 주위의 물이 빈구멍을 채우기 위해 이동하고 새로  빈구멍이 생긴다.

뭐 이런 프로세를 거쳐서 물은 구멍이 있는 자리로 계속해서 이동하며,

구멍은 ‘마치’ 물이 이동하는 반대방향으로 움직이는 것 처럼 보이는 거죠.

이제 P-Type 반도체의 내부로 돌아와서 전압이 걸렸을때를 생각해 봅시다.

<Hole의 이동>

물체의 양끝에 전압이 걸리면, 

근처의 전자는 (+) 쪽으로 힘을 받으니까.. 마침 비어있는 자리(Hole)로 이동해서 공유결합한다.

원래 비어있던 자리는 옮겨온 전자와 자리를 바꾸게 된다.

다시 뒤에있는 전자는 (+) 와 가까운 빈자리와 자리를 바꾼다.(반복)

어떤가요?

실제 움직이는 것은 전자이지만.. ‘마치’ 빈자리가 (-) 극을 향해 움직이는 것처럼 보이죠?

그래서 이런 빈자리를 Hole이라 이름짓고 양전하를 띈다고 얘기하는 것입니다.

부디 모두 이해하셨길 바라면서 정리한번 하고!! 반도체 입문의 첫번째 주제인 -#1 반도체란?- 을 끝마치도록 하겠습니다.

 - 정리 -

1) 전류가 흐르는 반도체를 만들기위해 불순물을 도핑하여 음전하 혹은 양전하를 만들 수 있다.

2) 이것을 외인성(Extrinsic) 반도체라 하며, 음전하가 만들어지면 N-Type / 양전하가 만들어지면 P-Type 반도체라 부른다.

3) N-Type 반도체는 5족 원소를 / P-Type 반도체는 3족 원소를 도핑하여 만든다.

 - 끝 -