고유 반도체 및 외부 반도체 - 에너지 밴드 및 도핑이란 무엇입니까?

반도체는 이름에서 알 수 있듯 도체와 절연체의 성질을 모두 나타내는 물질입니다. 반도체 재료는 전도를 위해 캐리어를 방출하기 위해 일정 수준의 전압이나 열이 필요합니다. 이러한 반도체는 캐리어의 수에 따라 '진성'과 '외인성'으로 분류됩니다. 진성 캐리어는 반도체의 가장 순수한 형태이며 동일한 수의 전자(음전하 캐리어)와 정공(양전하 캐리어)입니다. 가장 많이 사용되는 반도체 재료는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 및 갈륨 비소(GaAs)입니다. 이러한 유형의 반도체의 특성과 거동을 연구해 보겠습니다. 고유 반도체란 무엇입니까?고유 반도체는 도핑이나 불순물이 첨가되지 않은 화학적으로 순수한 물질로 정의할 수 있습니다. 사용 가능한 가장 일반적으로 알려진 진성 또는 순수 반도체는 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)입니다. 특정 전압을 인가할 때 반도체의 거동은 원자 구조에 따라 다릅니다. 실리콘과 게르마늄의 가장 바깥쪽 껍질에는 각각 1개의 전자가 있습니다. 서로를 안정화하기 위해 가까운 원자는 원자가 전자의 공유를 기반으로 공유 결합을 형성합니다. 실리콘의 결정 격자 구조에서 이러한 결합은 그림 XNUMX에 나와 있습니다. 여기에서 두 개의 Si 원자의 원자가 전자가 함께 쌍을 이루어 공유 결합을 형성하는 것을 볼 수 있습니다. 그림 1. 실리콘 원자의 공유 결합 모든 공유 결합은 안정적이며 전도에 사용할 수 있는 캐리어가 없습니다. 여기서 진성 반도체는 절연체 또는 부도체로 동작합니다. 이제 주변 온도가 실온에 가까워지면 공유 결합이 끊어지기 시작합니다. 따라서 원자가 껍질에서 전자가 방출되어 전도에 참여합니다. 전도를 위해 더 많은 수의 캐리어가 방출됨에 따라 반도체는 전도 물질로 행동하기 시작합니다. 아래 주어진 에너지 밴드 다이어그램은 가전자대에서 전도대로 캐리어의 이러한 전환을 설명합니다. 에너지 밴드 다이어그램 그림 2(a)에 표시된 에너지 밴드 다이어그램은 전도대와 가전자대라는 두 가지 수준을 나타냅니다. 두 밴드 사이의 공간을 금지된 간격이라고 합니다. 그림 2(a). 에너지 밴드 다이어그램 그림 그림 2(b). 반도체의 전도대 및 가전자대 전자 반도체 재료가 열이나 인가된 전압을 받으면 그림 2(b)와 같이 공유 결합이 거의 끊어지지 않고 자유 전자가 생성됩니다. 이 자유 전자는 여기되고 에너지를 얻어 금지된 갭을 극복하고 가전자대에서 전도대로 들어갑니다. 전자가 가전자대를 떠날 때, 전자는 가전자대에 구멍을 남깁니다. 진성 반도체에서는 항상 동일한 수의 전자와 정공이 생성되므로 전기적 중성을 나타냅니다. 전자와 정공은 모두 진성 반도체에서 전류의 전도를 담당합니다. 외인성 반도체란 무엇입니까?외인성 반도체는 불순물 또는 도핑된 반도체가 추가된 물질로 정의됩니다. 도핑은 의도적으로 불순물을 추가하여 캐리어 수를 늘리는 과정입니다. 사용된 불순물 원소를 도펀트라고 합니다. 외부 도체는 전자와 정공의 수가 많을수록 진성 반도체보다 더 큰 전도성을 나타냅니다. 외부 반도체는 사용된 도펀트에 따라 'N형 반도체'와 'P형 반도체'로 더 분류됩니다. N형 반도체: N형 반도체에는 5가 불순물이 도핑되어 있습니다. 3가 원소는 원자가 껍질에 XNUMX개의 전자가 있기 때문에 불립니다. XNUMX가 불순물의 예로는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb)이 있습니다. 그림 XNUMX에서 볼 수 있듯이 도펀트 원자는 XNUMX개의 인접한 실리콘 원자와 XNUMX개의 원자가 전자를 공유하여 공유 결합을 설정합니다. 다섯 번째 전자는 도펀트 원자의 핵에 느슨하게 결합된 상태로 남아 있습니다. 가전자대를 떠나 전도대로 들어가도록 다섯 번째 전자를 자유롭게 하는 데 매우 적은 이온화 에너지가 필요합니다. XNUMX가 불순물은 격자 구조에 하나의 여분의 전자를 부여하므로 도너 불순물이라고 합니다.그림 3. 도너 불순물이 있는 N형 반도체 P형 반도체:P형 반도체에는 3가 반도체가 도핑되어 있습니다. 4가 불순물은 원자가 껍질에 XNUMX개의 전자가 있습니다. XNUMX가 불순물의 예는 붕소(B), 갈륨(G), 인듐(In), 알루미늄(Al)을 포함한다. 그림 XNUMX와 같이 도펀트 원자는 인접한 XNUMX개의 실리콘 원자와만 공유 결합을 형성하고 네 번째 실리콘 원자와의 결합에는 정공 또는 공극이 생성됩니다. 정공은 양의 캐리어 또는 전자가 차지할 공간으로 작용합니다. 따라서 XNUMX가 불순물은 전자를 쉽게 받아들일 수 있는 양의 공극 또는 정공을 부여하므로 이를 억셉터 불순물이라고 합니다.  그림 4. 억셉터 불순물이 있는 P형 반도체 고유 반도체의 캐리어 농도 고유 캐리어 농도는 전도대에서 단위 부피당 전자 수 또는 가전자대에서 단위 부피당 정공 수로 정의됩니다. 인가된 전압으로 인해 전자는 가전자대를 떠나 그 자리에 양공을 만듭니다. 이 전자는 전도대에 더 들어가 전류 전도에 참여합니다. 진성 반도체에서 전도대에서 생성된 전자는 가전자대에서 정공의 수와 같습니다. 따라서 전자 농도(n)는 진성 반도체의 정공 농도(p)와 같습니다. 고유 캐리어 농도는 다음과 같이 주어질 수 있습니다. n_i=n=p 여기서, n_i: 고유 캐리어 농도 n: 전자-캐리어 농도 p: 정공 -캐리어 농도진성 반도체의 전도도 진성 반도체는 열 또는 인가된 전압을 받으면 전자가 가전자대에서 전도대로 이동하여 가전자대에 정공 또는 공극을 남깁니다. 다시 이 구멍은 더 많은 공유 결합이 끊어짐에 따라 다른 전자로 채워집니다. 따라서 전자와 정공은 반대 방향으로 이동하고 진성 반도체는 전도를 시작합니다. 많은 공유 결합이 끊어지면 전도도가 증가하여 전도를 위해 더 많은 전자가 방출됩니다. 진성 반도체의 전도도는 전하 캐리어의 이동도와 농도로 표현됩니다. 진성 반도체의 전도도에 대한 표현은 다음과 같이 표현됩니다. σ_i=n_i e(μ_e+μ_h) 여기서 σ_i: 진성 반도체의 전도도 반도체 n_i : 진성 캐리어 농도 μ_e: 전자의 이동도 μ_h: 정공의 이동도 반도체 이론 MCQ에 대한 자세한 내용은 이 링크를 참조하십시오.

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