고체내의 전자운동

반도체에서는 진성 반도체(intrinsic semiconductor)와 진성 반도체의 단결정에 미량의 불순물은 혼합한 불순물 반도체(extrinsic semiconductor)가 있다. 또, 불순물 반도체에는 그 불순물의 종류에 따라 각각 다른 성질을 나타내는 p형 반도체와 n형 반도체가 있고, 이를 모두가 진성 반도체보다 도전성이 높다.

그림 1-38 n형 반도체의 결정 구조

그림 1-39 n형 반도체의 에너지대 구조

그림 1-38과 같이 4가의 규소(Si) 원자에 안티몬(Sb)과 같은 5가의 원자를 미량혼합하면, 결정의 모양은 변하지 않으나 일부의 규소 원자가 있던 위치에 안티몬의 원자로 바뀌어 놓여져서, 5개의 가전자 중 4개는 원래의 규소와 결합할 수가 있다. 그러나 1개의 전자는 남게 되며, 이것을 과잉 전자(excess electron)라 한다. 이 과잉 전자를 만드는 불순물을 도너(dunor)라 하고, 그 준위를 도너 준위(donor level)라 한다. 그림 1-39에 나타낸 바와 같이 과잉 전자는 근소한 에너지를 받으면, 전도대로 올라가서 전도 전자가 되는 한편, 먼저의 도너 원자는 양이온이 된다. 이와 같이 반송자의 대부분이 전자인 반도체를 n형 반도체(n-type semiconductor)라 한다.

그림 1-40 p형 반도체의 결정 구조

그림 1-41 p형 반도체의 에너지대 구조

그림 1-40과 같이, n형 반도체에 쓰인 5가의 불순물 원소 대신 에 갈륨(Ga)과 같은 3가의 원소를 미량 혼합하면, 갈륨의 가전자는 3개밖에 없으므로 규소과 결합하기에는 전자 1개가 부족하여 정공이 생기므로, 불순물 반도체 대부분의 반송자는 정공이 된다. 이와 같이 정공을 만들기 위한 불순물을 억셉터(acceptor)라 하며, 대부분의 반송자가 정공인 불순물 반도체를 p형 반도체라 한다. 그림 1-41은 p형 반도체의 에너지대 구조를 나타낸 것으로, 충만대보다도 조금 높은 곳에 새로운 억셉터 준위(acceptor level)가 있게 된다. 따라서, 상온에서도 충만대의 전자는 억셉터 준위로 올라가며, 충만대에는 정공이 생겨 이것이 반송자가 된다. 이 때, 억셉터 원자는 음이온이 된다. 앞에서 설명한 반도체의 도전성에 대해 정리하면 다음과 같다.

(ㄱ) 진성 반도체의 반송자는 같은 수의 전자와 정공으로 한다.
(ㄴ) n형 반도체의 반송자는 대부분 전자이고 정공은 소수이다.
(ㄷ) p형 반도체의 반송자는 대부분 정공이고 전자는 소수이다.

이들의 경우, 전자와 정공 중에서 많은 편의 반송자를 다수 반송자(majority carrier)라 하고, 적은 편의 반송자를 소수 반송자(minority carrier)라 한다.