▶전자 궤도와 가전자  : 원자핵의 둘레를 들고 있는 전자의 궤도를 안쪽으로 부터 K각, L각, M각, N각이라 하며, 이들 궤도에 속할 수 있는 전자의 수는 각각 최대 2개, 8개, 18개, 32개이다. 이 전자들 중에서 최외각 궤도에 있는 전자를 가전자라 한다.

모든 원자는 전자가 최외각 궤도의 전자 정원 수를 모두 채우거나 전자의 수가 8개일 때 화학적으로 안정되어 있다. 그러나 화학적으로 불안정한 원자는 가전자를 다른 원자에 주거나 다른 원자로부터 받거나 하여 화학적으로 안정된 상태로 되려고 하기 때문에 화학적으로 활동이 활발해 진다. 어떤 원자로부터 1개의 가전자가 튀어나오면, 그 원자는 전자 1개분만큼 (-)의 전하를 잃는 것이 되므로 (+)의 전하를 가지게 된다. 또, 다른 것으로부터 전자를 받으면 그 만큼 (-)의 전하가 증가한 것이 되어 (-)의 전하를 가지게 된다.

가전자는 원자핵으로부터 가장 먼 거리에 있기 때문에 원자핵의 인력이 다른 전자에 비해 약해서, 그 인력보다 큰 전압, 열, 빛 등의 에너지가 가해지면 최외각 궤도로부터 튀어나와 자유 전자가 된다. 이 자유 전자의 움직임이 물질의 전도성에 크게 영향을 끼치고, 또 이 자유 전자가 원자끼리의 결합에서 매우 큰 역할을 한다. 원자끼리의 결합 방법에는 이온 결합과 공유 결합의 두 종류가 있다.

    대표적 반도체인 실리콘 원자는 공유 결합이다. 그림 Ⅰ-52와 같이 실리콘 원자에 있는 14개의 전자는K각에 2개, L각에 8개를 채우고, 최외각 궤도인 M각에는 4개의 가전자가 있다. 실리콘 원자가 안정되기 위해서는 이 4개의 가전자 이외에 4개의 가전자가 더 필요하다. 따라서,

1개의 실리콘 원자는 그림 Ⅰ-53과 같 이 이웃한 4개의 원자와 가전자를 공유한 다이아몬드 구조로 결합되어 있다. 실리콘과 같이 4개의 가전자를 공유하고 있는 물질에는 게르마늄, 납, 주석, 다이아몬드가 있다. 이 중에서 공유 결합이 가장 강한 다이아몬드는 외부로부터 에너지를 가하여도 결합이 깨지지 않으므로 부도체이다. 그러나 실리콘이나 게르마늄은 공유 결합의 세기가 부도체와 도체의 중간에 있으므로 반도체라 하고, 전도성이 어느 정도 있다.

                    실리콘 원자

            실리콘 원자의 공유 결합

3. 반도체에서의 전류 흐름

다이아몬드 구조의 반도체에 전압이라고 하는 에너지가 가해지면 가전자에는 전류의 방향과 역방향으로 힘이 작용한다. 전압을 높여 전압에 의한 힘이 원자핵으로부터의 인력보다 크게 되면, 그림 Ⅰ-54와 같이 가전자는 궤도에서 튀어나와 자유 전자가 된다. 가전자가 있었던 곳에 전자가 존재하지 않는 빈 자리를 홀 (hole, 정공)이라 한다. 이 홀은 가까이 돌고 있는 자유 전자를 붙잡아 빈 자리를 메우려고 한다. 이와 같이 반도체의 양 끝에 전압을 가하면, (-)의 전하를 가진 자유 전자가 전극 (+)방향(전류의 역방향)으로 이동하므로 전류가 흐른다. 자유 전자와 홀은 반도체의 전기 전도를 관장하기 때문에 캐리어(전기 운반자)라고 한다.

4. 순물질 반도체와 불순물 반도체

(1) 순물질 반도체

    반도체에 다른 원자가 거의 섞이지 않은 순도가 높은 반도체를 순물질 반도체라 한다. 예를 들면, 실리콘의 순도는 99.99999999% (텐 나인이라 한다.)이다. 순물질 반도체에 외부로부터 전압, 열, 빛 등의 에너지를 가하면 자유 전자나 홀의 수가 증가하여 전도성이 높아진다.

금속 등의 도체와는 정반대로 그림 Ⅰ-55와 같이 반도체는 온도가 높아질수록 전기 저항이 작아지는 성질을 가지고 있다.

가) P형 반도체

    P형 반도체의 P(positive)는 '양' 또는 '+'를 표시한다. 예를 들면, 그림 Ⅰ-56과 같이 4개의 가전자가 있는 실리콘에 3개의 가전자가 있는 인듐(In) 원자를 불순물로 더했을 경우, 실리콘이 공유 결합하여 다이아몬드 구조를 만들기 위해서는 공유하기 위한 전자가 하나 부족하게 된다. 이 전자 1개의 부족분이 홀로 되어 전체적으로 양의 성질을 가진 반도체가 된다. P형 반도체에서는 이 홀이 캐리어가 되어 전도성을 높이는 작용을 한다. 홀을 만들어 내는 인듐과 같은 불순물 원자를 억셉터(ac-ceptor)라고 한다.

나) N형 반도체

    N형 반도체의 N(negative)은 '음' 또는 '-'를 나타낸다. 예를 들면, 그림 Ⅰ-57과 같이 4개의 가전자가 있는 실리콘에 5개의 가전자가 있는 비소(As) 원자를 불순물로서 가했을 경우, 실리콘이 공유 결합하여 다이아몬드 구조를 만들면 전자 1개가남는다. 이 남은 1개의 전자는 원자핵으로부터의 인력이 약하기 때문에 간단히 자유 전자로 된다. 따라서, 전체적으로는 음의 성질을 가진 반도체가 된다. N형 반도체에서는 이 자유 전자가 캐리어로 되어 전도성을 높인다. 자유 전자를 만들어 내는 비소와 같은 불순물 원자를 도너(donor) 라고 한다.