p형 반도체와 n형 반도체는 무엇입니까?

반도체의 비저항은 소량의 불순물에 의해 상당히 바뀔 수 있다. 실리콘 결정에 적은 수의 비소(arsenic)원자를 넣어 준다고 하자. 비소 원자는 최외각 껍질에 5개의 전자가 있으며, 실리콘 원자는 최외각 껍질에 4개의 전자가 있다(이들 껍질의 전자 배치는 각각 4s24p3과 3s23p2이다). 실리콘 결정에서 실리콘 원자 하나를 비소 원자로 바꾸어 놓으면 비소 원자의 전자 4개는 가장 가까이 있는 실리콘원자들과 공유 결합하는 데 참가한다. 5번째 전자는 적은 에너지에서도 떨어져 나와서 결정 내를 움직이며 돌아다닌다(실리콘의 경우는 ∼0.05eV, 게르마늄의 경우는 ∼0.01eV이다).

아래 그림에서와 같이 실리콘 결정에서의 비소는 불순물로 작용하여 전도 띠 바로 아래에 에너지 준위를 만들어 놓는다. 이러한 에너지 준위를 주게 준위(donor level)라고 하며, 이러한 반도체에서는 음전하에 의해 전류가 흐르므로 n형 반도체라 한다. 전도 띠 아래에 주게 준위가 존재하면 Fermi 에너지는 전도띠와 원자가 띠 사이에 있는 금지된 띠의 중간보다 더 높은 위치에 놓이게 된다.

이제 바꾸어서 실리콘 결정에 칼륨 원자를 넣어주면, 다른 효과가 나타난다. 갈륨원자는 전자 배치가 4s24p이므로 최외각 껍질에 3개의 전자를 가지고 있으며, 이러한 갈륨 원자가 들어가면 결정의 전자 구조에 구멍(hole)이라고 하는 빈 곳이 생기게 된다. 전자가 빈 곳인 구멍으로 들어가는 데는 비교적 작기는 하지만 에너지가 필요하다. 그러나 전자가 실제로 구멍으로 이동하고, 구멍으로 들어가면 전자가 있었던 원래 장소에 다시 구멍이 생기게 된다. 갈륨이 포함되어있는 실리콘 결정의 양단에 전기장을 가해주면 전자들은 구멍들을 계속 채워가며 양극으로 이동할 것이다. 이 경우는 아래 그림처럼 전류의 흐름을 편의상 구멍을 기준으로 기술하고 구멍은 음극 쪽으로 움직여서 가므로, 마치 양전하와 같이 행동한다. 이러한 종류의 물질을 p형 반도체라 한다(아연과 같은 어떤 금속에서도 기본적으로 구멍의 운동에 의해 전류가 흐른다).

아래 그림에 나타낸 에너지 띠 그림으로부터 실리콘 내에서 갈륨은 불순물로 작용하여 받게 준위(acceptor level)라고 하는 에너지 준위를 원자가 띠 바로 위에 만들어 놓는다. 이들 준위를 채우는 전자는 원자가 띠에 빈 곳을 하나, 즉 구멍을 남겨 놓고 올라오는데, 이렇게 하여 전류가 흐를 수 있게 된다. p형 반도체의 Fermi 에너지는 금지된 띠의 중간보다 낮은 위치에 놓여 있다.

반도체에 불순물을 첨가하는 것을 도핑(doping)이라 한다. 비소와 마찬가지로 인, 비스무트, 안티몬은 5개의 원자가 전자를 가지고 있으므로 실리콘과 게르마늄을 주게(donor) 불순물로 도핑하는 데 쓸 수 있고, 따라서 n형 반도체로 만든다. 비슷하게 갈륨과 같이 인듐, 텔루르(tellurium)는 3개의 원자가 전자를 가지고 있으므로 받게(acceptor) 불순물로 쓰일 수 있다. 불순물을 소량만 넣어도 반도체의 전도도에 극적인 변화를 줄 수 있다. 예를 들어, 게르마늄 109개당 한 개의 주게(donor) 불순물을 첨가하면 전기 전도도는 거의 103배만큼 증가한다. 실리콘과 게르마늄만이 실제 이용되는 반도체 물질은 아니다. 다른 중요한 반도체의 종류로는 GaAs, Gap, InSb, InP와 같이 3가 원소와 5가 원소의 화합물들을 들 수 있다.

반도체는 도핑에 의하여 전기적 성질을 바꿀 수 있기 때문에 이용하기에 매우 편리하다. 특히 전기적 성질이 다른 여러 반도체를 작은 면적 안에 조합하기 쉬워서, 현대의 전자공학을 대표하는 물질이 되었다. p형 반도체와 n형 반도체를 적절히 결합시키면, 정류작용을 하는 다이오드 및 증폭작용을 하는 트랜지스터를 비롯한 수많은 전기소자를 만들 수 있고, 또한 이러한 소자를 작은 실리콘 결정 안에 쉽게 만들 수 있기 때문에 전자제품의 소형화에 결정적 역할을 하였다. 최근에는 집적회로(Integrated Circuit)를 만드는 기술이 발전하여, 하나의 회로 판에 컴퓨터 작용에 필요한 모든 소자를 넣을 수 있을 정도까지 발전하였다. 현대 기술문명사회는 반도체의 시대라고 하여도 과언이 아닐 정도로 가전제품, 컴퓨터 이외에도 교통, 통신, 기계, 화학공업 등에 이르기까지 반도체 기술의 영향이 미치지 않은 부분이 없다.