n형 반도체의 에너지 밴드 다이어그램
에너지 밴드 다이어그램은 전자가 가질 수 있는 에너지 띠를 세로축에 나열한 그림입니다. 위쪽 전도대의 끝이 Ec, 아래쪽 가전자대의 끝이 Ev이며, 그 차이가 밴드갭 Eg입니다. 불순물이 없는 진성 반도체에서는 페르미 준위가 밴드갭의 거의 중앙(진성 페르미 준위 Ei)에 있습니다.
실리콘에 인(P) 같은 도너를 첨가하면 전도대의 전자가 늘어나고, 페르미 준위는 전도대 쪽으로 올라갑니다. 그 위치는 EF − Ei = kT·ln(ND/ni)이며, 상온에서 농도가 10배가 될 때마다 약 0.06 eV씩 전도대에 가까워집니다. p형에서는 반대로 억셉터 농도에 따라 가전자대 쪽으로 내려갑니다.
직접 확인하기: 도너 농도와 페르미 준위
도너 농도를 바꾸면 페르미 준위 EF가 진성 페르미 준위 Ei에서 전도대 끝 Ec로 다가가는 모습을 확인할 수 있습니다. 조건은 Si, 300 K, ni = 1.0×10¹⁰ cm⁻³이며, EF − Ei = kT·ln(ND/ni)로 계산합니다(축퇴하지 않는 범위로 10¹⁴〜10¹⁹ cm⁻³).