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 항목 | 진성 반도체 | 불순물 반도체(n형·p형) |
|---|---|---|
| 불순물 | 의도적으로 첨가하지 않음(이상적으로는 완전히 순수함) | 도너(인, 비소 등)나 억셉터(붕소 등)를 첨가함 |
| 캐리어의 기원 | 열에 의한 전자-정공 쌍 생성뿐 | 주로 불순물의 이온화. 열에 의한 쌍 생성도 약간 있음 |
| 전자와 정공의 수 | 같음(n = p = ni) | 한쪽이 많음. n형에서는 n ≈ ND, p형에서는 p ≈ NA |
| 캐리어 밀도(상온 실리콘) | 약 1×10¹⁰ cm⁻³ | 불순물 농도로 거의 결정됨. 진성 캐리어 밀도보다 몇 자릿수 크게 만들 수 있음 |
| 전자 밀도와 정공 밀도의 곱 | n × p = ni² | 열평형에서는 마찬가지로 n × p = ni². 소수 캐리어 밀도는 ni² / 불순물 농도 |
| 페르미 준위 | 밴드갭의 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 올라가면 | 캐리어가 지수함수적으로 늘어나 비저항이 크게 감소함 | 상온을 포함한 중간 온도 범위에서는 캐리어 밀도가 거의 일정함. 극저온에서는 이온화되지 않아 감소하고(프리즈아웃), 고온에서는 열로 생성되는 캐리어가 웃돌아 진성 반도체와 같은 거동을 보임 |
| 사용 방식 | 그대로 소자에 쓰는 경우는 드묾. 불순물을 첨가하는 출발점이 되는 고순도 결정 | 트랜지스터, 다이오드, 웰, 소스·드레인 등 거의 모든 소자 |
수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.