불순물을 넣은 반도체 (p형 · n형 반도체)

p-type and n-type semiconductors

전기가 잘 안 통하는 순수한 실리콘에 다른 원소를 조금 섞으면, 어떻게 전기가 통하는 재료로 바뀔까요?

무슨 일이 일어났나

반도체는 전류를 흘리는 능력이 제한된 물질입니다(EIA). 순수한 실리콘에는 원자에 매이지 않고 움직일 수 있는 전하가 아주 적습니다.

실리콘에 비소 같은 원소를 조금 넣으면 남는 전자가 생겨 전자가 전하를 나르는 n형이 되고, 붕소 같은 원소를 넣으면 전자가 빈 자리(양공)가 생겨 그 빈자리가 옮겨 다니며 전하를 나르는 p형이 됩니다.

움직일 수 있는 전하가 늘어나니 저항이 줄어듭니다. 시뮬레이터에서 저항을 60 kΩ 에서 600 Ω 으로 낮추면 6 V 에서 흐르는 전류가 100 µA 에서 10.0 mA 로 늘어납니다 — 여기 저항 값은 보기 값이고, 실제 값은 넣은 불순물의 양에 따라 다릅니다.

p형과 n형을 맞붙이면 경계 양쪽에 양전하와 음전하가 쌓여 전기장이 생기고(APS), 이 p–n 접합이 다이오드 · 태양 전지 · 트랜지스터의 바탕이 됩니다.

불순물은 반도체를 망치는 찌꺼기일 뿐이다.
APS 기록에 따르면 벨 연구소는 1954 년 실리콘 태양 전지를 만들 때 여러 불순물을 시험한 끝에 비소와 붕소를 골라 일부러 넣었습니다. 출처

1940 년 벨 연구소의 반도체 연구자 러셀 올은 실리콘 조각에 난 금이 불순물 양이 다른 두 영역의 경계라는 것을 알아챘습니다. 한쪽은 양(p)으로, 다른 쪽은 음(n)으로 도핑되어 있었고, APS 기록은 이것을 처음 만든 p–n 접합으로 적습니다.

p–n 접합을 처음 만든 해 · 사람 — 러셀 올(Russell Shoemaker Ohl), 벨 연구소: 1940 출처
올의 실리콘 시료의 금은 불순물 양이 다른 두 영역의 경계였다: boundary between impurity levels 출처
불순물 양이 다른 두 영역 — 한쪽은 양(p)으로, 다른 쪽은 음(n)으로 도핑: positively doped / negatively doped 출처
p–n 경계 양쪽에 양전하 · 음전하가 쌓여 전기장이 생긴다: built-in electric field 출처
1954 벨 연구소 실리콘 태양 전지에 넣은 불순물 — 비소(As) · 붕소(B): arsenic and boron 출처
반도체 = 전류를 흘리는 능력이 제한된 물질: limited capacity for conducting an electric current 출처
태양 전지 웨이퍼를 처리해 한쪽으로만 전류를 보내는 다이오드를 만든다: diode: one direction 출처