N형 반도체(n-type semiconductor)는 전하를 운반하는 캐리어(carrier)로 자유전자가 사용되는 반도체이다. 음(-)의 전하를 가지는 자유전자가 다수 캐리어(majority carrier)로서 이동하여 전류를 형성하며, 정공(hole)은 소수 캐리어(minority carrier)가 된다.
제조 원리
순수한 진성 반도체(intrinsic semiconductor)인 14족 원소(실리콘 Si, 저마늄 Ge)에 최외각 전자가 5개인 15족 원소(인 P, 비소 As, 안티모니 Sb 등)를 불순물로 미량 첨가(도핑, doping)하여 제조한다. 14족 원소는 최외각에 4개의 가전자를 가지고 있고, 15족 원소는 5개의 가전자를 가지고 있어, 이들이 공유결합을 형성하면 1개의 전자가 결합에 참여하지 못하고 남게 된다. 이 잉여 전자는 원자핵에 약하게 결합되어 있어, 상온의 열에너지만으로도 쉽게 자유전자가 되어 전도에 기여할 수 있다. 이때 15족 불순물은 전자를 제공한다는 의미에서 도너(donor)라고 부른다.
전기적 특성
N형 반도체에서 다수 캐리어인 전자의 농도(n₀)는 대략 도너 농도(N_D)와 같다(n₀ ≈ N_D). 소수 캐리어인 정공의 농도(p₀)는 p₀ = nᵢ² / N_D로 주어지며, 여기서 nᵢ는 진성 캐리어 농도이다. 전체적으로는 양성자 수와 전자 수가 같아 전기적으로 중성을 유지한다.
페르미 준위
N형 반도체에서는 전자의 농도가 진성 반도체보다 높기 때문에, 페르미 준위(Fermi level)가 진성 반도체의 페르미 준위보다 위쪽, 즉 전도대(conduction band) 쪽으로 이동한다. 도너 불순물은 전도대 바로 아래에 도너 준위(donor level)라는 새로운 에너지 준위를 형성한다.
온도에 따른 거동
- 저온 영역(약 50K 이하): 열에너지가 부족하여 도너 준위의 전자가 전도대로 전이하지 못하므로 자유전자가 거의 없어 절연체처럼 동작한다.
- 중간 온도 영역(약 100K~400K): 자유전자 농도가 도너 농도에 의해 결정되어 거의 일정하게 유지된다.
- 고온 영역(약 450K 이상): 열에 의한 전자-정공 쌍 생성이 도핑 효과보다 우세해져 진성 반도체와 유사한 거동을 보인다.
활용
N형 반도체는 단독으로 사용되기보다 P형 반도체와 결합한 PN 접합(P-N junction) 형태로 주로 활용된다. PN 접합은 정류 작용을 하는 다이오드, 트랜지스터(BJT, MOSFET), 태양전지, 발광 다이오드(LED), 광검출기 등 거의 모든 반도체 소자의 기본 구성 요소가 된다.
