도핑 (반도체) 문서 원본 보기

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[[반도체]]의 제조 과정에서 '''도핑'''({{lang|en|doping}})은 의도적으로 [[진성 반도체]]에 불순물을 첨가함으로써 전기적 특성을 조절하는 것을 말한다. 이렇게 도핑된 물질을 [[불순물 반도체]]라 한다. 높은 수준으로 도핑된 반도체는 반도체보다 [[도체]]에 가까운데, 이를 [[축퇴한 반도체|축퇴 반도체]]라 한다. 

== 역사 ==
반도체 도핑의 효과는 [[광석 라디오|크리스탈 라디오]]나 셀레늄 정류기와 같은 장치들에서 경험적으로 증명되어 있었다. 1885년, 셀포드 비드웰과 독일의 과학자 베른하르트 구덴은 각각 독립적으로 반도체의 특성이 그 안에 포함된 불순물 때문이라고 발표했다.<ref>{{웹 인용|url=https://sites.google.com/site/transistorhistory/faraday-to-shockley|제목=Faraday to Shockley – Transistor History|출판사=Sites.google.com|확인날짜=2016-02-02}}</ref><ref>{{서적 인용|url=https://books.google.com/books?id=m0g4AAAAIAAJ|제목=The Theory of Metals|성=A. H. Wilson|연도=1965|판=2md|출판사=Cambridge University Press}}</ref> 도핑 공정은 [[제2차 세계 대전]] 중 Sperry Gyroscope Company에서 일하던 존 로버트에 의해 공식적으로 처음 개발되어 1950년 미국에서 특허가 등록되었지만,<ref>John R Woodyard "Nonlinear circuit device utilizing germanium" {{미국 특허|2530110}} filed, 1944, granted 1950</ref> 그가 일하던 회사는 [[레이더]]에 관한 연구를 요구하여 그의 반도체 도핑에 대한 연구는 거부되었다.

1953년, [[벨 연구소]]에서 고든 K. 틸과 모건 스파크에 의해 비슷한 연구가 수행되었고, 미국에 특허가 등록되었다.<ref>Sparks, Morgan and Teal, Gordon K. "Method of Making P-N Junctions in Semiconductor Materials", {{미국 특허|2631356}} (Filed June 15, 1950. Issued March 17, 1953)</ref>

== 운반자 농도 ==
주입된 불순물(이하 [[도펀트]])의 농도는 많은 전기적 특성에 영향을 준다. 가장 중요한 영향은 물질 [[전하 운반자]] 농도인데, 전성 반도체가 [[열평형|열평형 상태]]에 있을 때, [[전자]]와 [[양공]]의 농도는 동일하다. 즉,
: <math>n=p=n_i</math>
불순물 반도체(낮은 수준의 도핑에서)가 열평형 상태에 있을 때는 관계가 다음과 같아진다.
: <math>n_0\cdot p_0=n_i^2</math>
여기서 '' n<sub>0</sub>''은 자유 전자의 농도, ''p<sub>0</sub>''는 양공의 농도, ''n<sub>i</sub>''가 물질 내부의 운반자 농도이다. 운반자의 농도는 물질의 종류와 온도에 따라 변화한다. 예를 들어 [[규소]]의 ''n<sub>i</sub>''는 [[실온]]과 가까운 300[[절대 온도|K]]에서 약 1.08×10<sup>10</sup> cm<sup>-3</sup> 300이다.<ref>{{저널 인용|제목=Improved value for the silicon intrinsic carrier concentration from 275 to 375 K|저널=J. Appl. Phys.|성=A.B Sproul, M.A Green|연도=1991|권=70|호=2|쪽=846|bibcode=1991JAP....70..846S|doi=10.1063/1.349645}}</ref>

일반적으로, 도핑을 많이 할수록 운반자 농도가 높아져 전도성이 증가한다. 축퇴 반도체(매우 강하게 도핑된 반도체)는 전도성이 금속과 비슷하기 때문에 [[집적 회로]]에서 금속의 대체로 사용된다. 보통 위 첨자의 +, - 부호는 반도체에서 운반자 농도를 상대적으로 나타낸다. 예를 들어, ''n<sup>+</sup>'' 는 강하게 도핑되어 높은 농도를 가진, 보통 축퇴된 [[n형 반도체]]를 나타낸다. 마찬가지로, ''p<sup>−</sup>'' 는 매우 약하게 도핑된 [[p형 반도체]]를 의미한다. 축퇴 반도체의 수준으로 도핑된 반도체에서도 분순물의 농도는 기존의 진성 반도체의 농도에 비해 매우 낮다. 진성 결정질 규소에서 cm³ 당 약 5×10<sup>22</sup>개의 원자가 존재하는 반면, 규소 반도체를 도핑할 때 운반자 농도는 보통 10<sup>13</sup>/cm<sup>-3</sup>에서 10<sup>18</sup>/cm<sup>-3 </sup>사이이다. 10<sup>18</sup>/cm<sup>-3</sup> 이상의 농도로 도핑된 물질은 상온에서 축퇴되었다고 간주된다. 축퇴된 규소 반도체에서는 불순물이 규소의 천분의 일 정도의 비율을 가진다. 이 비율은 매우 약하게 도핑된 규소에서 십억분의 일 수준까지 내려간다. 일반적인 농도 값은 이 정도의 수준으로 낮춰져 기기 내에서 요구되는 특성을 띠도록 조정된다.

== 공정 ==
먼저 일정량의 도펀트가 각 [[웨이퍼]]가 거의 동일하게 도핑되도록 추가된다.<ref>{{서적 인용|url=https://books.google.com/books?id=wZPRPU6ne7UC&pg=PA248#PPA1,M1|제목=Microelectronic Materials and Processes|성=Levy|이름=Roland Albert|연도=1989|출판사=Kluwer Academic|위치=Dordrecht|쪽=6–7|isbn=0-7923-0154-4|확인날짜=2008-02-23}}</ref> 회로에서의 역할에 따라 정해진 구역마다 — 주로 [[포토리소그래피]] 방식으로 이루어진다<ref>{{웹 인용|url=http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1955-Photolithography.html|제목=Computer History Museum – The Silicon Engine&#124;1955 – Photolithography Techniques Are Used to Make Silicon Devices|출판사=Computerhistory.org|확인날짜=2014-06-12}}</ref> — [[확산]]<ref>[http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1954-Diffusion.html Computer History Museum – The Silicon Engine] 1954 – Diffusion Process Developed for Transistors</ref>과 [[이온 주입법]]과 같은 방법으로 추가적으로 도핑된다. 이온 주입법의 경우, 조정성이 높아 대규모 생산에서 자주 이용된다.

적은 숫자의 도펀트 [[원자]]가 반도체의 전도성을 변화시킬 수 있다. 백만개의 원자 당 하나의 도펀트 원자가 추가되면, 이를 낮게, 혹은 약하게 도핑되었다고 한다. 더 많은 도펀트 원자가 추가되어 원자 만개 당 도펀트 원자 하나의 비율을 이루면 높게, 혹은 강하게 도핑되었다고 말한다. 이와 같이 강하게 도핑된 반도체는 보통 n형 반도체는 ''n+, ''p형 반도체는 ''p+''로 나타낸다.

== 같이 보기 ==
* [[불순물 반도체]]
* [[진성 반도체]]
== 각주 ==
{{각주}}

{{전거 통제}}

[[분류:응집물질물리학]]
[[분류:반도체 제조]]