여러분 혹시 ‘정공’이라고 들어보셨나요?
반도체에서 정공은 가상의 개념으로써 전자의 빈자리를 표현하는 중요한 역할을 합니다.
따라서 이번 글에서는 정공이 형성되는 과정을 5단계로 나누어 상세히 알아보겠습니다.
오늘 글로 인하여 반도체 물리의 기본 개념을 쉽게 이해할 수 있도록 알아보겠습니다.
1. 반도체란 무엇인가?
반도체라고 많이 들어보셨지요?
반도체는 전기가 흐르기도 하고 흐르지 않기도 하는 특별한 물질입니다.
이러한 반도체에는 대표적으로 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)이 사용됩니다.
반도체는 금속과 같은 전도체와 유리나 고무 등과 같은 부도체의 중간 성질을 가집니다.
왜냐하면 온도, 불순물, 빛 등에 따라 전기 전도도가 크게 변하기 때문입니다.
그 덕분에 다양한 전자 소자에 필수적으로 사용되고 있습니다.
특히 반도체는 밸런스 밴드(valence band)와 전도 밴드(conduction band)로 에너지 준위가 나뉘어 있는 것이 특징입니다.
그리고 이 둘 사이에는 밴드 갭(band gap)이 존재합니다.
반도체는 이러한 구조 덕분에 외부 자극에 따라 전자가 이동하거나 멈출 수 있는 것이 가장 큰 특징입니다.
2. 열 에너지로 전자가 들뜨는 과정
반도체 안에는 기본적으로 전자들이 원자핵 주변의 궤도에 안정적으로 위치하고 있습니다.
이 상태를 ‘밸런스 밴드’에 있다고 표현합니다.
그런데 이 상태에서 온도가 높아지거나 외부로부터 열 에너지를 받게 되면 어떻게 될까요?
이 경우, 일부 전자들이 충분한 에너지를 얻어 밸런스 밴드를 탈출하게 됩니다.
이때 탈출한 전자는 높은 에너지 상태인 ‘전도 밴드’로 이동하게 됩니다.
이 전자는 자유롭게 움직일 수 있습니다.
덕분에 전류를 운반하는 주체인 캐리어가 됩니다.
반면, 전자가 빠져나간 자리에는 빈 공간이 생깁니다.
이 빈 공간이 바로 오늘 글의 주제인 ‘정공(hole)’입니다.
3. 정공의 개념과 형성
전자가 사라진 자리는 단순한 빈 공간이 아닙니다.
그 빈 자리는 마치 양(+)의 전하를 띤 입자처럼 행동합니다.
전자가 음(-)의 전하를 가지고 있습니다.
때문에 전자가 빠져나가면 그 자리에는 상대적으로 양전하가 남는 효과가 발생한 것처럼 보입니다.
즉, 정공은 실제로 물리적인 입자가 존재하는 것은 아닙니다.
다만 전자의 부족으로 인해 발생한 가상의 양전하라고 취급하는 것입니다.
하지만 정공도 전자처럼 전기적 특성을 가지고 움직일 수 있습니다.
그 덕분에 전자와 쌍을 이루어 전류를 형성하는 데 중요한 역할을 합니다.
4. 외부 전기장에 의한 정공 이동
정공이 형성되면 외부에서 전기장을 가했을 때 전자들은 전기장 방향과 반대로 이동합니다.
그런데 정공은 전자와 반대 전하를 가지고 있습니다.
때문에 전기장 방향으로 움직이는 것처럼 보입니다.
이때의 움직임은 실제로는 주변 전자들이 연쇄적으로 빈자리를 메우면서 이동하는 과정입니다.
예를 들어 다음과 같은 상황입니다.
먼저 A 위치에 있는 전자가 B 위치의 정공으로 이동합니다.
그럼 정공은 A 위치로 이동한 것처럼 보입니다.
이 과정을 통해 정공도 이동하며 전류를 운반하는 데 기여하는 것처럼 보이는 것입니다.
정리하면 전자는 음극(−) 방향으로 이동하고, 정공은 양극(+) 방향으로 이동하는 것처럼 나타나는 것입니다.
이 때문에 반도체 회로 설계 시에는 전자와 정공의 움직임을 모두 고려해야 합니다.
5. 도핑을 통한 정공 농도 조절
반도체의 특성을 조절하기 위해서는 도핑(doping)이라는 기술을 사용해야 합니다.
도핑이란 반도체 물질에 고의적으로 불순물을 넣어 전자나 정공의 수를 늘리는 방법입니다.
크게 p형 반도체와 n형 반도체가 있습니다.
먼저 p형 반도체는 실리콘에 붕소(B)와 같은 3가 원소를 첨가하면, 전자 하나가 부족한 결합이 발생하게 됩니다.
이로 인해 정공이 다수 캐리어(majority carrier)가 되는 반도체가 만들어진다.
이러한 p형 반도체는 주로 양전하를 이동시키는 데 특화되어 있습니다.
반대로 n형 반도체는 실리콘에 인(P) 같은 5가 원소를 첨가하면서 생깁니다.
인이 5가 원소이기에 여분의 전자가 존재하게 됩니다.
이 경우는 전자가 다수 캐리어가 되어 전류를 운반합니다.
정공은 특히 p형 반도체에서 매우 중요한 역할을 합니다.
정공의 농도는 반도체 소자의 전기적 특성과 반응 속도를 결정짓는 핵심 요소 중 하나입니다.
결론
반도체에서 정공은 단순한 빈 공간이 아닙니다.
정공은 전자의 결핍에 의해 형성된 가상의 양전하입니다.
동시에 전류의 흐름에 적극적으로 관여하는 중요한 존재입니다.
정공은 열 에너지에 의해 전자가 전도 밴드로 이동하면서 자연스럽게 발생합니다.
이때 외부 전기장에 반응해 이동하게 됩니다.
정공의 농도와 이동성은 도핑을 통해 조절하게 됩니다.
이 덕분에 다양한 전자 소자의 성능을 최적화할 수 있게 되었습니다.
이렇게 반도체를 이해하기 위해서는 전자와 정공의 상호작용을 정확히 파악하는 것이 필수적입니다.
오늘날 우리가 사용하는 컴퓨터, 스마트폰, 태양광 패널 등 수많은 기술의 기반에는 이 작은 반도체의 ‘정공’이 숨어 있다는 사실을 기억해야 합니다.
오늘 글은 여기까지입니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.