진성 반도체와 불순물 반도체의 차이: 캐리어·페르미 준위·온도 특성 비교

진성 반도체는 불순물을 거의 포함하지 않는 순수한 반도체로, 열에 의해 가전자대에서 전도대로 올라간 전자와 그 자리에 생긴 정공이 같은 수만큼 있습니다. 불순물 반도체(외인성 반도체)는 도너나 억셉터를 의도적으로 첨가한 것으로, 전자나 정공 중 한쪽이 다수 캐리어가 됩니다. 상온 실리콘의 진성 캐리어 밀도는 약 1×10¹⁰ cm⁻³로 작기 때문에, 실제 소자에서는 불순물을 첨가해 캐리어 밀도와 전도형을 결정합니다.

비교 항목진성 반도체불순물 반도체(n형·p형)
불순물의도적으로 첨가하지 않음(이상적으로는 완전히 순수함)도너(인, 비소 등)나 억셉터(붕소 등)를 첨가함
캐리어의 기원열에 의한 전자-정공 쌍 생성뿐주로 불순물의 이온화. 열에 의한 쌍 생성도 약간 있음
전자와 정공의 수같음(n = p = ni)한쪽이 많음. n형에서는 n ≈ ND, p형에서는 p ≈ NA
캐리어 밀도(상온 실리콘)약 1×10¹⁰ cm⁻³불순물 농도로 거의 결정됨. 진성 캐리어 밀도보다 몇 자릿수 크게 만들 수 있음
전자 밀도와 정공 밀도의 곱n × p = ni²열평형에서는 마찬가지로 n × p = ni². 소수 캐리어 밀도는 ni² / 불순물 농도
페르미 준위밴드갭의 거의 중앙(진성 페르미 준위)n형에서는 전도대 쪽, p형에서는 가전자대 쪽으로 치우침
비저항(상온 실리콘)높음(10⁵ Ω·cm대)낮음. 불순물 농도에 따라 몇 자릿수씩 낮아짐
온도가 올라가면캐리어가 지수함수적으로 늘어나 비저항이 크게 감소함상온을 포함한 중간 온도 범위에서는 캐리어 밀도가 거의 일정함. 극저온에서는 이온화되지 않아 감소하고(프리즈아웃), 고온에서는 열로 생성되는 캐리어가 웃돌아 진성 반도체와 같은 거동을 보임
사용 방식그대로 소자에 쓰는 경우는 드묾. 불순물을 첨가하는 출발점이 되는 고순도 결정트랜지스터, 다이오드, 웰, 소스·드레인 등 거의 모든 소자

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

진성 반도체
물성을 이해할 때의 기준으로 생각합니다. 진성 캐리어 밀도 ni는 n × p = ni²를 통해 불순물 반도체의 소수 캐리어 밀도와 PN 접합의 누설 전류를 결정합니다.
불순물 반도체
소자를 만들 때. 불순물의 종류와 농도로 전도형과 비저항을 정하고, n형과 p형을 조합해 PN 접합이나 트랜지스터를 만듭니다.
고온에서의 주의점
온도가 올라가면 진성 캐리어 밀도가 급격히 늘어나 불순물로 정한 성질이 사라져 갑니다. 밴드갭이 큰 SiC나 GaN은 진성 캐리어 밀도가 매우 작기 때문에 실리콘보다 높은 온도에서도 동작할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

진성 반도체에도 전류가 흐르나요?

흐릅니다. 상온에서도 열에 의해 전자-정공 쌍이 생기므로 약간의 전기가 통합니다. 다만 실리콘에서는 진성 캐리어 밀도가 약 1×10¹⁰ cm⁻³로, 원자 밀도(약 5×10²² cm⁻³)에 비해 매우 작기 때문에 비저항이 높아집니다.

불순물 반도체를 '외인성 반도체'라고도 부르는 이유는 무엇인가요?

캐리어의 대부분이 반도체 자체가 아니라 외부에서 첨가한 불순물에서 비롯되기 때문입니다. 영어로는 진성 반도체를 intrinsic semiconductor, 외인성 반도체를 extrinsic semiconductor라고 구분해 부릅니다.

불순물을 얼마나 첨가하면 캐리어 밀도가 바뀌나요?

실리콘의 진성 캐리어 밀도는 약 1×10¹⁰ cm⁻³이므로, 이보다 충분히 많은 도너나 억셉터를 첨가하면 캐리어 밀도는 거의 불순물 농도로 결정됩니다. 예를 들어 1×10¹⁶ cm⁻³의 인은 실리콘 원자 약 500만 개 중 1개에 불과하지만, 전자 밀도는 진성 상태의 100만 배가 됩니다.

불순물 반도체의 온도를 올리면 어떻게 되나요?

실리콘에서는 상온을 포함한 중간 온도 범위에서 캐리어 밀도가 불순물 농도와 거의 같고 일정합니다. 온도를 더 올려 진성 캐리어 밀도가 불순물 농도에 가까워지면, 열로 생성된 캐리어가 늘어나 진성 반도체와 같은 거동을 보이게 되고, PN 접합 등이 제대로 동작하지 않게 됩니다.

이해도 확인

진성 반도체의 온도를 올렸을 때 진성 캐리어 밀도는 어떻게 됩니까?

  1. A증가한다
  2. B감소한다
  3. C변하지 않는다
정답과 해설 보기

정답: A. 증가한다

온도가 올라가면 가전자대의 전자가 열에너지로 밴드갭을 넘기 쉬워져 전자와 정공의 쌍이 늘어납니다. 진성 캐리어 밀도는 ni ∝ T^(3/2)·exp(−Eg/2kT)이며, 실리콘에서는 실온 부근에서 약 10 ℃ 오를 때마다 대략 2배가 됩니다. 이 급격한 증가가 pn 접합의 역방향 누설 전류가 고온에서 늘어나는 원인이며, 밴드갭이 큰 SiC나 GaN이 고온 동작에 강한 이유이기도 합니다.

진성 반도체의 저항률의 온도 의존성으로 올바른 것은 무엇입니까?

  1. A온도가 올라가면 저항률이 내려간다
  2. B온도가 올라가면 저항률이 올라간다
  3. C온도와 관계없이 저항률은 일정하다
정답과 해설 보기

정답: A. 온도가 올라가면 저항률이 내려간다

진성 반도체에서는 온도가 올라가면 밴드갭을 넘어 여기되는 캐리어가 지수 함수적으로 늘어나므로 저항률이 내려갑니다(음의 온도 계수). 금속은 캐리어 수가 거의 일정하고 격자 진동에 의한 산란이 늘어나므로 저항률이 올라갑니다. 이 성질을 이용한 것이 서미스터(NTC)입니다. 다만 불순물을 첨가한 실리콘에서는 상온 부근에서 캐리어 수가 거의 일정하므로, 이동도 저하로 저항이 오히려 올라가는 범위도 있습니다.

열평형 상태 반도체의 전자 밀도 n과 정공 밀도 p의 곱(n×p)으로 올바른 것은 무엇입니까? (ni: 진성 캐리어 밀도)

  1. A항상 0이 된다
  2. Bni의 제곱과 같다
  3. C불순물 농도의 제곱과 같다
정답과 해설 보기

정답: B. ni의 제곱과 같다

열평형 상태에서는 불순물을 첨가해도 n × p = ni²가 성립합니다(질량 작용 법칙). 전자를 늘리면 재결합 상대가 늘어나므로 정공은 그만큼 줄어든다는 관계입니다. 예를 들어 실리콘(ni ≈ 1×10¹⁰ cm⁻³)에 1×10¹⁶ cm⁻³의 도너를 넣으면 정공은 1×10⁴ cm⁻³이 됩니다. 빛의 조사나 전류의 주입이 있는 비평형 상태에서는 성립하지 않고 np > ni²가 됩니다.

  1. 도너 농도 1×10¹⁶ cm⁻³인 n형 실리콘(도너는 모두 이온화, 진성 캐리어 밀도 ni = 1×10¹⁰ cm⁻³)의 정공 밀도는 대략 얼마입니까?
  2. 도너 농도 5×10¹⁶ cm⁻³와 억셉터 농도 2×10¹⁶ cm⁻³를 모두 포함한 실리콘(실온, 모두 이온화)의 성질로 올바른 것은 무엇입니까?
  3. n형 실리콘을 극저온까지 냉각했을 때 캐리어 밀도가 크게 감소하는 이유로 올바른 것은 무엇입니까?

반도체 물리 문제 풀기

주요 용어 설명

진성 캐리어 밀도
불순물이 없는 반도체에서 열로 생기는 전자와 정공의 밀도(ni로 표기). 실리콘에서는 실온에서 약 1×10¹⁰ cm⁻³이며 온도가 오르면 급격히 증가한다. 열평형에서는 n × p = ni²가 성립한다.
도너(donor)
반도체에 전자를 공급하는 불순물. 실리콘에서는 인(P), 비소(As) 등 V족 원소이며 n형 반도체를 만든다.
억셉터(Acceptor)
반도체에서 전자를 받아들여 정공을 만드는 불순물. 실리콘에서는 붕소(B) 등 III족 원소이며 p형 반도체를 만든다.
페르미 준위
전자가 그 준위를 차지할 확률이 정확히 1/2이 되는 에너지. n형에서는 전도대 쪽, p형에서는 가전자대 쪽으로 치우친다.
축퇴 반도체(degenerate semiconductor)
불순물 농도가 매우 높아 페르미 준위가 전도대나 가전자대 안으로 들어간 반도체. 금속에 가까운 성질을 보이며 터널 다이오드나 저저항 콘택트에 쓰인다.

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