도핑(반도체)

1. 개요

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반도체에서 도핑(doping)이란, 규소(Si) 같은 진성 반도체에 불순물(dopant)을 첨가하여 외인성 반도체(extricsic semiconductor)[1]로 만드는 것을 의미한다.

2. 상세

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화학적으로 볼 때 진성 반도체는 14족 원소라서 최외곽에 4개의 전자가 있는데, 이곳에 13족 원소를 불순물로 넣으면 결정 구조에서 그만큼 전자가 부족해지므로 그 구멍이 마치 양전하 입자가 하나 존재하는 것과 비슷한 상태가 된다. 이를 양공이라고 부르며, (+) 전하('''p'''ositive)를 띠는 것과 마찬가지인 양공이 주 캐리어가 되었기 때문에 이렇게 만든 반도체를 p-type 반도체라고 한다. 반대로 15족 원소를 불순물로 넣으면 그 반도체 결정에는 불순물만큼 전자가 남아돌게 되면서 이 남아도는 (-) 전하('''n'''egative)를 띠는 전자가 주 캐리어가 되었다는 뜻에서 이러한 반도체를 n-type 반도체라고 부른다.
전압이 걸리면 p-type 반도체는 양공이 캐리어가 되어 (+)→(-)로 전류가 흐르게 되고, n-type 반도체는 전자가 캐리어가 되어 (-)→(+)로 전류가 흐르게 된다. 이 둘을 접합하면 p-n 접합 다이오드라는 가장 기본적인 반도체 소자가 되고, p-n-p 또는 n-p-n으로 3층 구조로 만들면 가장 흔히 사용되는 반도체인 트랜지스터가 된다. 즉 실제 소자로 이용하는 반도체는 대부분이 도핑된 반도체다.
도핑을 하는 이유는 '''전기 전도성의 향상'''이다. 순수 반도체(진성 반도체)는 모든 최외곽 전자가 공유 결합에 참여하고 있어 전류가 잘 흐르지 않는 반면, 불순물에 해당하는 13족 또는 15족 원소는 공유 결합에 참여하지 않는 빈 전자(=양공) 또는 남는 전자(=자유 전자)가 전류 흐름을 만들어주기 때문에 전류가 흐르기 쉬워지고 전자 소자로 사용하기가 쉬워진다.
이를 에너지띠 이론으로 설명하는 경우가 많다. 해당 문서 참고. 간단히 설명하자면, 도핑은 전자가 바닥 상태에서 벗어나 자유 전자가 되기 위해 얻어야 할 에너지 갭(gap)을 줄여주는 역할을 한다.

[1] p-type 반도체와 n-type 반도체를 아울러 이르는 말이다.