도핑: 한 줌의 불순물이 다수 캐리어를 정한다
불순물을 골라 다수 캐리어를 정하라
아래는 실리콘 격자다. 각 원자는 이웃과 전자 두 개씩 짝지어 결합한다. 가운데 한 원자를 다른 원자로 바꾸면 어떤 자유 캐리어가 풀려나는가. 자유전자를 다수로 만드는 것은 어느 쪽인가.
순수 실리콘은 거의 절연체다
실리콘 원자는 원자가전자가 넷이고, 이웃 넷과 두 개씩 짝지어 결합을 채운다. 그래서 상온에서 자유로운 전자가 거의 없다. 전류를 만들려면 결합을 깨야 하는데, 그것은 곧 A1의 띠틈을 건너는 일과 같다.
5가 원자 하나 = 자유전자 하나
인이나 비소처럼 원자가전자가 다섯인 원자를 넣으면 넷은 결합에 쓰이고 하나가 남는다. 이 남은 전자는 거의 묶이지 않아 살짝만 데워도 자유로워진다. 전자를 내준 불순물 원자는 고정된 양이온이 되지만 결정은 여전히 중성이다. 이것이 n형이다.
3가 원자 하나 = 정공 하나, 그리고 곱은 불변
붕소처럼 원자가전자가 셋인 원자를 넣으면 결합 자리 하나가 빈다. 이 빈자리는 옆 결합의 전자가 메우러 오면서 옆으로 옮겨 가, 마치 양전하가 움직이는 것처럼 보인다. 이것이 p형이다. 한쪽 캐리어를 늘리면 다른 쪽은 줄어, 두 캐리어 농도의 곱 n p = ni²는 온도만 같으면 도핑과 무관하게 일정하다.
첫 화면으로 돌아가서
자유전자를 다수로 만든 것은 5가 공여자, 곧 n형이었다. 거울처럼 3가 받개는 정공을 다수로 만들어 p형이 되고, 순수 실리콘은 둘이 같은 수로 적은 채 균형에 머문다. 어느 쪽이든 더한 것은 한 줌의 불순물뿐인데 다수 캐리어가 통째로 뒤바뀐다. 그러면서도 고정된 이온이 떠난 전하를 정확히 갚아 결정은 끝까지 중성이다. 다수 캐리어를 정하는 손잡이는 불순물의 원자가 전자 수 하나다.
이어지는 흐름
이제 두 종류의 캐리어를 손에 쥐었다. 다음 유닛 A3에서는 이 캐리어가 움직이는 두 가지 방식, 곧 전기장이 미는 드리프트와 농도 차가 퍼뜨리는 확산을 본다. 그 둘이 n형과 p형의 경계에서 맞부딪히는 곳이 바로 A4의 pn 접합 공핍층이다.