도핑: 한 줌의 불순물이 다수 캐리어를 정한다
불순물이 다수 캐리어를 정한다
그림은 실리콘 격자이고, 원자마다 이웃과 전자를 두 개씩 짝지어 결합한다. 가운데 원자 하나를 다른 원소로 바꾸면 격자 사이로 풀려난 캐리어가 흘러가는데, 금색 점은 자유전자이고 파란 빈 원은 정공이다. 자유전자를 다수로 만드는 것이 어느 쪽인지 가운데 원자를 바꿔 가며 찾아요.
순수 실리콘은 거의 절연체다
실리콘 원자는 원자가전자가 넷이고, 이웃 넷과 두 개씩 짝지어 결합을 모두 채운다. 그래서 상온에서는 자유롭게 움직이는 전자가 거의 없다. 전류를 만들려면 결합을 끊어야 하는데, 그 일은 A1에서 본 띠틈을 건너는 일과 같아요.
5가 원자 하나 = 자유전자 하나
인이나 비소처럼 원자가전자가 다섯인 원자를 넣으면 넷은 결합에 쓰이고 하나가 남는다. 이 남은 전자는 원자에 아주 약하게 묶여 있어 상온의 열만으로도 풀려난다. 전자를 내준 불순물 원자는 제자리에 고정된 양이온이 되지만, 풀려난 전자와 합하면 결정 전체는 여전히 중성이다. 이것이 n형이다.
3가 원자 하나 = 정공 하나, 그리고 곱은 불변
붕소처럼 원자가전자가 셋인 원자를 넣으면 결합 자리 하나가 빈다. 이웃 결합의 전자가 그 빈자리를 메우러 건너오면 빈자리는 옆으로 옮겨 가고, 그래서 양전하 하나가 움직이는 것처럼 보인다. 이것이 p형이에요. 한쪽 캐리어를 늘리면 다른 쪽은 그만큼 줄어, 두 캐리어 농도의 곱 n p = ni²는 온도가 같으면 도핑과 상관없이 일정하다.
첫 화면으로 돌아가서
자유전자를 다수로 만든 것은 5가 공여자, 곧 n형이었다. 거울처럼 3가 받개는 정공을 다수로 만들어 p형이 되고, 순수 실리콘은 전자와 정공이 같은 수로 적은 채 균형에 머문다. 어느 쪽이든 더한 것은 아주 적은 불순물뿐인데 다수 캐리어가 통째로 뒤바뀌었어요. 그러면서도 제자리에 고정된 이온이 떠난 캐리어의 전하를 정확히 메워 결정은 끝까지 중성이다. 다수 캐리어를 고르는 손잡이는 불순물의 원자가전자 수 하나다.
이어지는 흐름
이제 두 종류의 캐리어를 손에 쥐었다. 다음 유닛 A3에서는 이 캐리어가 움직이는 두 가지 방식, 곧 전기장에 밀리는 드리프트와 농도 차로 퍼지는 확산을 본다. 그 둘이 n형과 p형의 경계에서 맞서는 곳이 바로 A4의 pn 접합 공핍층이에요.