진성 반도체와 외인성 반도체(P형, N형) 차이점과 캐리어 이동 원리

순수한 진성 반도체와 불순물을 더한 외인성 반도체(P형, N형)의 차이를 알려드리겠습니다. 전류를 흐르게 만드는 핵심 주인공인 자유전자와 정공의 생성 및 이동 원리를 기초부터 확인해 보세요.

순수한 진성 반도체의 결정 구조

반도체 기술의 가장 밑바탕이 되는 출발점은 아무런 불순물도 섞이지 않은 순도 99.9%에 달하는 순수한 반도체, 즉 진성 반도체(Intrinsic Semiconductor)입니다. 대표적인 물질로는 모래의 주성분에서 추출한 규소, 즉 실리콘(Si)과 게르마늄이 있습니다.

순수한 진성 반도체의 결정 구조

실리콘 원자는 가장 바깥쪽 껍질에 다른 원자와 결합할 수 있는 손에 해당하는 최외각 전자를 4개씩 가지고 있습니다. 물질 세계의 원자들은 가장 바깥쪽에 전자가 8개 채워졌을 때 가장 편안하고 단단한 안정 상태를 이룹니다. 따라서 실리콘 원자들은 이웃한 4개의 다른 실리콘 원자들과 서로 전자를 1개씩 사이좋게 주고받으며 전자를 8개로 맞추는 공유 결합을 맺습니다. 이 공유 결합은 마치 4방향으로 모든 손을 꽉 맞잡고 있는 그물망 구조와 같아서, 매우 질서정연하고 완벽한 결정을 형성합니다. 절대영도(극저온) 상태에서 모든 전자가 이웃 원자들과 손을 꽉 잡고 결합 구역(가전자대)에 단단히 묶여 있습니다. 밖으로 튀어나와 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 단 1개도 없기 때문에, 전기를 전혀 통하지 못하게 하는 완벽한 부도체처럼 행동합니다. 상온(일상 온도) 상태에서는 우리가 생활하는 일반적인 실온이 되면 주변 공기로부터 따뜻한 열에너지가 공급됩니다. 이 열에너지를 흡수한 일부 전자들이 원자의 결속력을 이겨내고 손을 놓아버리며 결합에서 탈출합니다. 이렇게 결합에서 탈출하여 전도대로 올라간 전자를 자유전자(Free Electron)라고 부릅니다. 자유전자는 묶여 있던 족쇄를 풀고 물질 내부를 자유자재로 돌아다닐 수 있는 상태가 됩니다. 이때 전자가 빠져나간 원래의 결합 자리에는 아주 재미있는 물리 현상이 일어납니다. 전자가 빠져나갔기 때문에 그 자리는 음전하가 부족해지면서 상대적으로 양의 성질을 띠는 빈 구멍이 생겨납니다. 이 빈자리를 바로 정공(Hole, 양공)이라고 부릅니다. 정공은 비어 있는 빈 의자와 같습니다. 옆에 앉아 있던 전자가 이 빈 의자가 탐이 나서 훌쩍 건너와 앉으면, 원래 그 전자가 있던 자리가 다시 새로운 빈 의자가 됩니다. 즉 전자가 오른쪽으로 한 칸 이동하면, 빈 의자인 정공은 마치 왼쪽으로 한 칸 걸어간 것처럼 보이게 됩니다. 결국 순수한 진성 반도체에서는 열에 의해 전자가 1개 튀어나올 때마다 '자유전자 1개'와 '정공 1개'가 항상 쌍으로 동시에 생성됩니다. 이 두 가지 알맹이를 물질 내부에서 전기를 실어 나르는 짐꾼이라는 뜻으로 전하 캐리어(Carrier)라고 부릅니다. 하지만 상온의 진성 반도체에서는 열로 인해 튀어나오는 캐리어의 숫자가 너무나 적기 때문에, 전기를 시원하게 흘려보내기에는 턱없이 부족하여 단독으로는 고성능 전자 부품으로 쓰이기 어렵습니다.

불순물 도핑을 통한 외인성 반도체

순수한 진성 반도체에 전기가 잘 통하지 않는 한계를 극복하기 위해 엔지니어들은 새로운 기술을 개발했습니다. 바로 순수한 실리콘 결정에 특정 원소를 극미량 섞어주는 '도핑(Doping)' 기술입니다. 이렇게 불순물을 주입하여 전기가 훨씬 더 잘 통하도록 만든 반도체를 외인성 반도체(Extrinsic Semiconductor)라고 부르며, 섞어주는 원소의 종류에 따라 N형 반도체와 P형 반도체로 나뉩니다.

불순물 도핑을 통한 외인성 반도체

첫 번째는 전자가 넘쳐나는 N형 반도체(Negative-type)입니다. 최외각 전자가 4개인 실리콘에 전자가 5개인 15족 원소(인, 비소, 안티몬 등)를 미량 섞어줍니다. 15족 원소는 주변 4개의 실리콘 원자와 결합하고 나면, 결합에 참여하지 못한 여분의 전자 1개가 남게 됩니다. 이 남는 전자는 원자에 매우 느슨하게 붙어 있어, 아주 작은 열에너지만 받아도 즉시 결합을 벗어나 자유전자로 변신합니다. 따라서 N형 반도체 내부에는 음의 전하를 띤 자유전자가 압도적으로 많은 다수 캐리어가 되고, 정공은 아주 적은 소수 캐리어가 됩니다. 두 번째는 빈자리가 넘쳐나는 P형 반도체(Positive-type)입니다. 최외각 전자가 4개인 실리콘에 전자가 3개뿐인 13족 원소(붕소, 갈륨, 인듐 등)를 미량 섞어줍니다. 13족 원소는 주변 4개의 실리콘 원자와 손을 잡으려 하지만 전자가 1개 모자라기 때문에, 결합을 맺자마자 전자가 비어 있는 구멍(정공) 1개가 자연스럽게 만들어집니다. 이 빈 구멍은 주변 실리콘의 전자를 손쉽게 끌어당기며 정공의 움직임을 활발하게 만듭니다. 따라서 P형 반도체 내부에는 양의 성질을 띤 정공이 압도적으로 많은 다수 캐리어가 되고, 자유전자는 소수 캐리어가 됩니다. 이렇게 만들어진 외인성 반도체에 외부에서 전압을 걸어주면 본격적인 캐리어 이동(Drift)과 확산(Diffusion) 현상이 일어나며 강력한 전류가 흐르게 됩니다. N형 반도체의 이동은 외부 전압이 가해지면 가볍고 날렵한 수많은 자유전자들이 플러스극 쪽으로 일제히 끌려가게 됩니다. 이 거대한 전자들의 이동 흐름이 전류를 만들어냅니다. P형 반도체는 외부 전압이 걸리면 마이너스극 쪽에 있던 전자들이 빈 구멍인 정공으로 연속해서 뛰어넘어 이동합니다. 겉에서 보기에는 플러스 성질을 가진 수많은 정공들이 마이너스극을 향해 이동을 하면서 강력한 전류를 형성합니다. 진성 반도체가 전자와 정공이 몇 개 없는 텅 빈 시골길이라면, 도핑을 거친 외인성 반도체는 자유전자가 가득한 N형 고속도로와 정공이 가득한 P형 고속도로로 탈바꿈한 상태입니다. 이 두 고속도로를 서로 맞붙여 만든 것이 바로 현대 전자기기의 핵심인 PN 접합 다이오드와 트랜지스터이며, 이를 통해 전류의 방향을 제어하고 신호를 증폭하는 놀라운 현대 반도체 기술이 완성됩니다.