n형 반도체와 p형 반도체의 차이점 정리

n형 반도체는 실리콘에 인이나 비소 같은 V족 불순물(도너)을 첨가하여 남는 전자를 다수 캐리어로 만든 것입니다. p형 반도체는 붕소 같은 III족 불순물(억셉터)을 첨가하여 전자가 부족해 생긴 정공을 다수 캐리어로 만든 것입니다. 페르미 준위는 n형에서는 전도대 쪽, p형에서는 가전자대 쪽으로 치우칩니다. 실리콘에서는 전자의 이동도가 정공의 약 2~3배이므로, 같은 불순물 농도라면 n형의 비저항이 더 낮습니다.

비교 항목n형p형
첨가하는 불순물(실리콘)V족의 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb)III족의 붕소(B). 그 밖에 인듐 등
불순물의 명칭과 역할도너. 전자를 1개 내줍니다억셉터. 전자를 1개 받아들여 가전자대에 정공을 만듭니다
이온화된 불순물의 전하양. 격자에 고정되어 움직이지 않습니다음. 격자에 고정되어 움직이지 않습니다
불순물 준위(실리콘)전도대 하단에서 약 0.045 eV(인), 약 0.054 eV(비소)가전자대 상단에서 약 0.045 eV(붕소)
다수 캐리어/소수 캐리어전자/정공정공/전자
캐리어 밀도(모두 이온화했을 때)n ≈ ND, p = ni² / NDp ≈ NA, n = ni² / NA
페르미 준위진성 페르미 준위보다 전도대 쪽. 농도가 높을수록 전도대에 가까워집니다진성 페르미 준위보다 가전자대 쪽. 농도가 높을수록 가전자대에 가까워집니다
다수 캐리어의 이동도(저농도 실리콘, 기준값)전자 약 1400 cm²/V·s정공 약 450 cm²/V·s
같은 농도에서의 비저항낮음n형의 약 2~3배 높음
CMOS에서 쓰이는 곳nMOS의 소스·드레인, pMOS를 만드는 n웰pMOS의 소스·드레인, nMOS를 만드는 p웰. CMOS용 실리콘 웨이퍼는 p형이 많습니다

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

n형
전자를 흘리고 싶을 때. nMOS의 소스·드레인, npn 트랜지스터의 이미터·컬렉터, pMOS를 만드는 n웰 등에 사용합니다.
p형
정공을 흘리고 싶을 때. pMOS의 소스·드레인, npn 트랜지스터의 베이스, nMOS를 만드는 p웰 등에 사용합니다.
함께 사용
n형과 p형을 접하면 PN 접합이 생기며, 이는 다이오드, 트랜지스터, 태양전지, LED 등의 기본이 됩니다. 제조에서는 이미 있는 층에 반대 형의 불순물을 많이 첨가해 형을 반전시키는 것(카운터 도핑)도 사용됩니다.

자주 묻는 질문

n형 반도체는 전자가 많으니 전체적으로 음으로 대전되어 있나요?

아닙니다. 전체적으로는 전기적으로 중성입니다. 도너가 전자를 1개 내주면 도너 자신은 양이온이 되어 격자에 남으므로, 전자의 음전하와 상쇄됩니다. p형에서도 마찬가지로 정공의 양전하와 이온화된 억셉터의 음전하가 균형을 이룹니다.

n형 안에도 정공이 있나요?

있습니다. 열평형에서는 전자 밀도와 정공 밀도의 곱이 진성 캐리어 밀도의 제곱(n × p = ni²)이 되므로, 도너 농도가 1×10¹⁶ cm⁻³이면 상온의 정공 밀도는 약 1×10⁴ cm⁻³입니다. 수는 매우 적지만, 이 소수 캐리어가 PN 접합과 바이폴라 트랜지스터의 동작에서 중요한 역할을 합니다.

도너와 억셉터를 모두 첨가하면 어떻게 되나요?

서로 상쇄되어(보상) 많은 쪽의 형이 됩니다. 캐리어 밀도는 대략 농도의 차이로 결정되지만, 이동도는 양쪽의 이온화 불순물에 의한 산란으로 낮아집니다. 웰 안에 반대 형의 소스·드레인을 만들 때는 이 성질을 이용해 형을 반전시킵니다.

n형과 p형에서 페르미 준위의 위치가 다른 이유는 무엇인가요?

페르미 준위는 전자가 점유할 확률이 1/2이 되는 에너지로, 캐리어의 분포를 나타내기 때문입니다. 전도대의 전자가 많은 n형에서는 전도대 쪽으로, 가전자대의 전자가 빠져 정공이 많은 p형에서는 가전자대 쪽으로 치우칩니다. 상온의 실리콘에서는 불순물 농도가 10배가 될 때마다 약 60 mV씩 밴드 끝에 가까워집니다.

이해도 확인

실리콘에 인(P)을 불순물로 첨가했을 때의 설명으로 올바른 것은 무엇입니까?

  1. A정공이 다수 캐리어인 p형 반도체가 된다
  2. B전자가 다수 캐리어인 n형 반도체가 된다
  3. C캐리어는 늘지 않고 진성 반도체 그대로이다
정답과 해설 보기

정답: B. 전자가 다수 캐리어인 n형 반도체가 된다

인은 V족으로 가전자가 5개이며, 실리콘(IV족)의 공유 결합에 쓰이지 않는 전자가 1개 남습니다. 이 전자는 약 0.045 eV의 얕은 준위에 느슨하게 구속되어 있을 뿐이므로, 실온에서 거의 전부 전도대로 올라가 전도 전자가 됩니다. 이러한 불순물을 도너라고 하며 n형 반도체가 만들어집니다. 그 밖에 비소(As)나 안티몬(Sb)도 도너입니다. p형으로 만들려면 붕소(B) 등 III족 원소(억셉터)를 첨가합니다.

실리콘에 붕소(B)를 불순물로 첨가했을 때의 설명으로 올바른 것은 무엇입니까?

  1. A전기적으로 불활성이며 도전형은 바뀌지 않는다
  2. B도너로 작용하여 n형 반도체가 된다
  3. C억셉터로 작용하여 p형 반도체가 된다
정답과 해설 보기

정답: C. 억셉터로 작용하여 p형 반도체가 된다

붕소는 III족으로 가전자가 3개이므로 공유 결합에 전자가 1개 모자라 주위에서 전자를 받아들입니다. 그러면 가전자대에 정공이 생겨 실리콘은 p형이 됩니다. 붕소는 실리콘 속 대표적인 억셉터이며, 준위는 가전자대에서 약 0.045 eV로 얕아 실온에서 거의 전부 이온화됩니다. 원자가 가볍고 확산이 빠르므로, 얕은 접합을 만들 때는 저에너지 주입이나 BF2 주입이 사용됩니다.

p형 반도체의 다수 캐리어는 무엇입니까?

  1. A이온화된 억셉터
  2. B정공
  3. C전자
정답과 해설 보기

정답: B. 정공

p형에서는 억셉터가 가전자대에서 전자를 받아들이므로 정공이 늘어나며, 다수 캐리어는 정공, 소수 캐리어는 전자가 됩니다. 이온화된 억셉터는 격자에 고정된 음전하로 스스로는 움직일 수 없습니다. 다만 공핍층에서는 이 고정 전하가 전계와 내장 전위를 만들어 내는 주역이 됩니다. MOSFET에서는 p형 기판 표면에 소수 캐리어인 전자를 모아(반전) n채널을 만듭니다.

  1. n형 반도체의 페르미 준위 위치로 올바른 것은 무엇입니까?
  2. 실리콘 속 인이 만드는 도너 준위의 밴드갭 내 위치로 올바른 것은 무엇입니까?
  3. 실리콘에 주입하는 불순물과 도전형의 조합으로 올바른 것은?

반도체 물리 문제 풀기

주요 용어 설명

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.
이동도
전계를 가했을 때 캐리어가 움직이기 쉬운 정도. 실리콘에서는 전자의 이동도가 정공보다 크다.
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.

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