#64 불순물 반도체

문제 1 · OX 문제

순수한 반도체에 약간의 불순물을 첨가하여 전기 전도도를 크게 높인 것을 불순물 반도체라고 한다. ( )

정답: O

너무 조용하고 얌전해서 전기가 통하지 않던 '순수 반도체' 방에, 불순물이라는 '마법의 조미료'를 톡톡 뿌려주면 전기를 나를 수 있는 일꾼들이 확 늘어나면서 전기가 아주 잘 통하는 '불순물 반도체'로 변신한답니다.

문제 2 · OX 문제

불순물 반도체는 불순물을 많이 넣을수록 내부의 입자들이 충돌하여 전기 전도도가 작아져 부도체가 된다. ( )

정답: X

불순물은 전기를 배달할 '택배 기사님(자유 전자나 양공)'을 만들어내는 재료예요! 따라서 조미료(불순물)를 많이 팍팍 칠수록 배달원이 쑥쑥 늘어나서 전기가 훨씬 더 콸콸 잘 통하게 된답니다.

문제 3 · OX 문제

반도체에 불순물을 첨가하여 전하 운반자의 수를 늘리고 전기적 성질을 변화시키는 과정을 '도핑'이라고 부른다. ( )

정답: O

스포츠 선수들이 힘을 내려고 영양제를 맞는 것을 '도핑'이라고 하죠? 반도체도 마찬가지예요! 힘(전기 전도도)을 확 끌어올리기 위해 불순물이라는 특별한 영양 주사를 놔주는 과정을 과학 용어로 '도핑'이라고 한답니다.

문제 4 · OX 문제

p형 반도체는 순수한 규소(Si)에 원자가 전자가 5개인 원소를 첨가하여 빈자리인 양공을 만들어 낸다. ( )

정답: X

p형 반도체는 규소(팔 4개)보다 팔이 하나 모자란, 즉 원자가 전자가 '3개'인 친구들을 데려와서 결합시켜야 해요. 그래야 손을 맞잡지 못해 뻥 뚫린 빈자리(양공)가 생기거든요. 5개인 친구를 데려오면 오히려 전자가 남아돌게 됩니다!

문제 5 · OX 문제

n형 반도체 내부에서 실질적으로 전류를 흐르게 하는 주된 전하 운반자는 결합하고 남은 '자유 전자'이다. ( )

정답: O

n형 반도체는 규소(팔 4개) 동네에 팔이 5개인 친구를 전학시킨 거예요. 4명은 규소랑 짝꿍을 맺었는데, 1명은 짝꿍이 없어서 붕 뜨게 되죠! 이 남는 1명의 잉여 전자가 동네방네 자유롭게 돌아다니며 전기를 배달하는 '자유 전자'가 된답니다.

문제 6 · OX 문제

원자가 전자가 3개인 붕소(B)나 알루미늄(Al)을 첨가하면 전자의 빈자리인 양공이 생겨 전류가 흐른다. ( )

정답: O

규소는 4명과 손을 잡아야 안정적인데, 붕소나 알루미늄은 팔이 3개밖에 없어요. 그래서 억지로 손을 잡다 보면 한 자리가 텅 비게 되죠. 이 '빈 의자(양공)'를 향해 다른 전자들이 폴짝폴짝 이동하면서 전기가 흐르는 신기한 마법이 펼쳐집니다.

문제 7 · 빈칸 채우기

순수한 반도체에 약간의 불순물을 첨가하여 전기 전도도를 인위적으로 조절할 수 있도록 만든 물질을 ( ) 반도체라고 한다. (3글자)

정답: 불순물

순수한 반도체 방에 마법의 조미료를 뿌려 능력을 업그레이드한 반도체예요. 첨가하는 이 '조미료'의 이름을 묻는 거랍니다.

문제 8 · 빈칸 채우기

반도체의 전기 전도도를 높이기 위해 순수한 반도체에 의도적으로 미량의 불순물을 첨가하는 과정을 ( )(이)라고 한다. (2글자)

정답: 도핑

원래는 약물을 투여해서 운동 능력을 비정상적으로 높이는 것을 뜻하지만, 반도체 세계에서는 전기가 팍팍 통하게 만드는 아주 합법적이고 훌륭한 '영양 주사' 과정을 뜻하는 영단어랍니다.

문제 9 · 빈칸 채우기

순수한 규소(Si)에 원자가 전자가 3개인 붕소(B) 등을 도핑했을 때, 전자가 결합하지 못하고 비어있는 공간이 생기는데 이를 ( )(이)라고 한다. (2글자)

정답: 양공

영화관에 사람들이 꽉 차 있는데 의자 하나가 비어있다고 상상해 보세요. 옆 사람이 그 빈 의자로 옮겨 앉으면, 빈 의자가 마치 옆으로 이동한 것처럼 보이겠죠? 전자가 이동할 수 있게 만들어주는 이 마법의 '빈 의자'를 뜻하는 단어입니다.

문제 10 · 빈칸 채우기

원자가 전자가 5개인 인(P) 등을 첨가하여 남는 전자가 전하 운반자 역할을 하도록 만든 반도체는 ( ) 반도체이다. (2글자, 영문자+한글)

정답: n형

전자는 마이너스(-) 성질을 띠고 있죠? 전자가 남아돌아서 전하 운반자가 되는 이 반도체는 마이너스를 뜻하는 영어 단어 'Negative'의 앞 글자를 따서 이름을 지었답니다.

문제 11 · 빈칸 채우기

n형 반도체에서 공유 결합에 참여하지 않고 남아, 물질 내부를 자유롭게 이동하며 전류를 흐르게 하는 입자는 ( )이다. (4글자)

정답: 자유전자

짝꿍을 찾지 못해 책상(원자핵)에 묶여있지 않고, 교실(반도체 내부)을 맘대로 빨빨거리며 돌아다니는 잉여 일꾼들이에요. 이 친구들이 전기 보따리를 메고 뛰면서 전기가 흐르는 거랍니다.

문제 12 · 빈칸 채우기

전자의 빈자리인 '양공'이 주된 전하 운반자 역할을 하여 전류가 흐르게 되는 반도체를 ( ) 반도체라고 부른다. (2글자, 영문자+한글)

정답: p형

양공은 전자가 빠져나간 빈자리라서, 상대적으로 플러스(+) 성질을 띠는 것처럼 행동해요. 그래서 플러스를 뜻하는 영어 단어 'Positive'의 앞 글자를 따서 붙여진 이름표랍니다.

문제 13 · 단답형

p형 반도체를 만들기 위해 순수 규소에 첨가해야 하는 불순물 원소들(붕소, 알루미늄 등)의 원자가 전자는 몇 개인가? (1글자 또는 숫자)

정답: 3

팔이 4개인 규소 친구들 사이에 억지로 '빈 의자(양공)'를 하나 만들려면, 규소보다 팔이 딱 하나 모자란 친구를 전학시켜야 해요. 그래서 가장 바깥쪽 팔이 3개인 원소들을 데려오는 거랍니다.

문제 14 · 단답형

p형 반도체를 만들 때 사용하는 대표적인 불순물 원소 중 하나로, 화학 원소 기호 'B'를 쓰는 물질의 국문 이름은 무엇인가? (2글자)

정답: 붕소

원자가 전자가 3개라서 규소 마을에 전학 오면 필연적으로 '빈자리(양공)'를 만들어내는 p형 반도체 가문의 대장님 같은 원소예요. 영어로는 Boron이라고 부른답니다.

문제 15 · 단답형

n형 반도체를 만들 때 사용하는 대표적인 불순물 원소 중 하나로, 화학 원소 기호 'P'를 쓰는 물질의 국문 이름은 무엇인가? (1글자)

정답: 인

원자가 전자가 5개라서 규소 마을에 오면 '자유 전자' 하나를 덤으로 선물해주는 n형 반도체의 에이스 원소입니다. 우리 몸의 뼈를 구성하기도 하고 성냥의 재료로도 쓰이는 그 원소 맞아요!

문제 16 · 보기 선택

불순물 반도체와 도핑에 대한 설명으로 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 불순물 반도체는 순수한 규소 반도체보다 전기 전도도가 훨씬 크다.
• ㄴ. 순수한 반도체에 불순물을 첨가하는 화학적 과정을 도핑이라고 부른다.
• ㄷ. 불순물을 많이 넣을수록 양공이나 자유 전자가 줄어들어 전류가 잘 흐르지 않는다.
• ㄹ. 불순물의 농도를 조절하여 반도체의 전기 전도도를 원하는 대로 조절할 수 있다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄹ

마법의 가루(불순물)를 타서 전기가 콸콸 통하게 만든 게 불순물 반도체(ㄱ)이고, 이 과정을 도핑(ㄴ)이라고 해요! 가루를 팍팍 넣을수록(농도를 높일수록) 배달원이 많아져서 내 맘대로 전기를 강하게 통제할 수 있죠(ㄹ). ㄷ처럼 배달원이 줄어든다는 건 엉터리 설명입니다.

문제 17 · 보기 선택

p형 반도체의 특징으로 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 순수한 반도체에 원자가 전자가 3개인 원소를 첨가하여 만든다.
• ㄴ. 불순물을 첨가하면 공유 결합을 하고 남는 여분의 잉여 전자가 쏟아져 나온다.
• ㄷ. 전하를 운반하는 주된 매개체는 전자의 빈자리인 '양공'이다.
• ㄹ. 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 등을 도핑 원소로 사용한다.

정답: ㄱ, ㄷ, ㄹ

p형은 팔이 하나 모자란 3개짜리 친구들(붕소, 알루미늄 등)을 전학시켜서(ㄱ, ㄹ) 손을 못 잡은 '빈 의자(양공)'를 만들어(ㄷ) 전기를 흐르게 하는 원리예요. 여분의 전자가 쏟아져 나오는(ㄴ) 건 팔이 5개인 n형 반도체의 특징이랍니다!

문제 18 · 보기 선택

n형 반도체의 특징으로 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 순수 규소에 원자가 전자가 5개인 원소를 불순물로 첨가한다.
• ㄴ. 내부에서 전류를 흐르게 하는 주된 전하 운반자는 양공이다.
• ㄷ. 공유 결합에 참여하지 못하고 남는 전자가 자유 전자가 되어 자유롭게 이동한다.
• ㄹ. 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb) 등이 첨가되는 대표적인 원소이다.

정답: ㄱ, ㄷ, ㄹ

n형은 팔이 5개인 친구들(인, 비소 등)을 불렀더니(ㄱ, ㄹ) 4개는 짝을 찾고 남은 1개의 팔(전자)이 붕 떠서 동네를 휘젓는 꼬마 배달원(자유 전자)이 되는 원리예요(ㄷ). 양공이 전류를 나른다는(ㄴ) 건 빈자리를 이용하는 p형 반도체의 특징이죠.

문제 19 · 보기 선택

p형 반도체와 n형 반도체를 비교한 설명으로 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 두 반도체 모두 도핑 과정을 거쳤기 때문에 순수 반도체보다 전기 전도도가 높다.
• ㄴ. p형 반도체는 양공이, n형 반도체는 자유 전자가 전류를 흐르게 하는 주인공이다.
• ㄷ. p형 반도체는 원자가 전자가 5개인 원소를, n형은 3개인 원소를 각각 도핑하여 만든다.
• ㄹ. 순수 규소에 어떤 종류의 불순물(3개짜리냐 5개짜리냐)을 첨가하느냐에 따라 p형과 n형으로 나뉜다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄹ

둘 다 마법의 가루를 타서 전기가 잘 통하게 만든 훌륭한 반도체 맞아요(ㄱ, ㄹ). p형은 빈자리(양공)를, n형은 남는 잉여(자유 전자)를 이용하죠(ㄴ). 그런데 ㄷ은 두 녀석의 재료를 완전히 거꾸로 말했어요! p형이 팔 3개, n형이 팔 5개짜리랍니다.

문제 20 · 보기 선택

반도체에 첨가되는 불순물 원소에 대한 설명으로 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 붕소(B)는 원자가 전자가 3개이므로 빈자리를 만들어 p형 반도체를 만드는 데 쓰인다.
• ㄴ. 인(P)은 원자가 전자가 5개이므로 남는 전자를 제공하여 n형 반도체를 만드는 데 쓰인다.
• ㄷ. 불순물 원소는 아주 미량만 첨가해도 전하 운반자가 생겨 전기적 성질에 큰 변화를 일으킨다.
• ㄹ. 알루미늄(Al)을 도핑하면 팔이 5개라서 자유 전자가 대량으로 발생하여 n형 반도체가 된다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄷ

붕소는 팔 3개라 p형(ㄱ), 인은 팔 5개라 n형(ㄴ)을 만드는 재료가 맞고, 이 가루들은 티스푼 하나만 넣어도(미량) 엄청난 마법을 부린답니다(ㄷ). 그런데 알루미늄(Al)은 붕소와 같은 팔 3개짜리 친구라서 n형이 아니라 p형 반도체가 되어야 해요(ㄹ은 틀림)!

문제 21 · 보기 선택

반도체 내부의 전하 운반자(자유 전자와 양공)에 대한 설명으로 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 자유 전자는 (-) 전하를 띠며, n형 반도체에서 물질 내부를 자유롭게 이동하며 전류를 만든다.
• ㄴ. 양공은 전자가 빠져나간 빈자리로, 마치 (+) 전하를 띤 입자처럼 행동하며 이동한다.
• ㄷ. 도핑하는 불순물의 농도를 높이면 이러한 전하 운반자(자유 전자나 양공)의 수가 쑥쑥 증가한다.
• ㄹ. 아무것도 섞지 않은 순수 반도체일 때 가장 전하 운반자가 많아 전류가 최고로 잘 흐른다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄷ

자유 전자는 마이너스(-) 보따리(ㄱ), 양공은 플러스(+) 빈 의자(ㄴ)라고 생각하면 쉬워요. 불순물을 팍팍 섞을수록 이 배달원들이 늘어나 전기가 더 잘 통하죠(ㄷ). 반대로 아무것도 안 섞은 순수한 상태(ㄹ)는 배달원이 하나도 없어서 전기가 안 통하는 먹통 상태랍니다.

문제 22 · 객관식

다음 중 '불순물 반도체'에 대한 설명으로 가장 옳은 것은?

• ① 불순물을 첨가하면 순수 반도체보다 전기 전도도가 오히려 작아져 완벽한 절연체로 쓰인다.
• ② 첨가하는 불순물의 농도와 전혀 상관없이 전기 전도도는 항상 일정한 고정값을 유지한다.
• ③ 전기가 흐르지 않던 순수 반도체에 약간의 불순물을 첨가하여 전기 전도도를 크게 증가시킨 물질이다.
• ④ 반도체 표면에 불순물을 덧발라 전기가 새어나가는 것을 막는 화학적 과정을 피복이라고 부른다.
• ⑤ 전기가 통하는 도체에 전기를 막는 부도체를 억지로 섞어 전류의 흐름을 강제로 차단한 물질이다.

정답: ③

불순물 반도체는 아무것도 안 섞여서 심심하던 순수한 방에 '불순물'이라는 마법의 가루를 타서, 전기를 나를 꼬마 배달원들을 짠! 하고 만들어내 전기가 콸콸 통하게 업그레이드한 멋진 발명품이에요. 이 원리를 가장 정확히 설명한 ③번이 완벽한 정답입니다.

문제 23 · 객관식

'p형 반도체'에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

• ① 원자가 전자가 3개인 원소를 순수한 규소 격자에 첨가하여 만든다.
• ② 이러한 도핑 불순물의 대표적인 예시로 붕소(B)나 알루미늄(Al)을 주로 사용한다.
• ③ 불순물이 섞이면서 규소와 공유 결합을 하지 못한 전자의 빈자리인 '양공'이 생긴다.
• ④ 이 양공이라는 빈 공간이 릴레이 하듯 이동하면서 실질적으로 전류가 흐르는 역할을 한다.
• ⑤ 결합을 하고도 남아도는 1개의 전자가 잉여 '자유 전자'가 되어 물질 내부를 활발히 돌아다닌다.

정답: ⑤

p형 반도체는 팔이 3개인 친구를 데려와서 자리가 모자라 뻥 뚫린 '빈자리(양공)'를 이용하는 기술이에요! 전자가 남아돌아서 잉여 '자유 전자'가 동네를 돌아다니는 건 팔이 5개인 친구를 데려온 n형 반도체의 장기자랑이랍니다. 두 녀석의 성질을 헷갈리면 안 돼요.

문제 24 · 객관식

n형 반도체를 만들기 위해 순수 반도체(규소)에 첨가해야 하는 불순물 원소의 특징과 그 종류로 올바르게 짝지어진 것은?

• ① 원자가 전자가 3개인 원소 - 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga)
• ② 원자가 전자가 4개인 원소 - 탄소(C), 순수 저마늄(Ge)
• ③ 원자가 전자가 5개인 원소 - 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb)
• ④ 원자가 전자가 6개인 원소 - 산소(O), 황(S)
• ⑤ 원자가 전자가 7개인 원소 - 플루오린(F), 염소(Cl)

정답: ③

n형 반도체의 'n'은 Negative(마이너스 전하를 띤 전자)를 뜻해요. 전자가 하나 남아돌게 만들려면 규소(팔 4개)보다 팔이 하나 더 많은 '5개'짜리 원소들을 데려와야 하죠! 인, 비소, 안티모니가 바로 그 팔 5개 달린 n형 전담 마크맨들이랍니다.

문제 25 · 객관식

n형 반도체와 p형 반도체의 내부에서 전기를 실어 나르는 '전하 운반자'를 바르게 짝지은 것은?

• ① n형 반도체: 양이온 / p형 반도체: 음이온
• ② n형 반도체: 양공 / p형 반도체: 자유 전자
• ③ n형 반도체: 원자핵 / p형 반도체: 전자
• ④ n형 반도체: 자유 전자 / p형 반도체: 양공
• ⑤ n형 반도체: 양성자 / p형 반도체: 중성자

정답: ④

이름표의 앞 글자를 생각하면 절대 안 헷갈려요! n형의 n은 Negative(마이너스)니까 전기를 나르는 일꾼도 마이너스를 띤 '자유 전자'고요. p형의 p는 Positive(플러스)니까 플러스 성질을 띠는 빈자리인 '양공'이 그 주인공이랍니다. ④번이 완벽한 짝꿍이네요!

문제 26 · 객관식

반도체 공정에서 쓰이는 용어인 '도핑(Doping)'에 대한 설명으로 가장 적절한 과학적 의미는?

• ① 반도체의 전기 전도도를 아예 없애기 위해 내부에 섞인 불순물을 100% 제거하는 정제 과정이다.
• ② 순수한 반도체에 미량의 불순물을 의도적으로 첨가하여 자유 전자나 양공 같은 전하 운반자의 수를 늘리는 과정이다.
• ③ 반도체를 용광로에서 고온으로 가열하여 도체처럼 흐물흐물하고 유연하게 만드는 열처리 가공 과정이다.
• ④ 반도체 표면에 튼튼한 유리를 덧입혀 코팅함으로써 외부의 물리적 충격으로부터 보호하는 방어 과정이다.
• ⑤ 반도체를 강한 압력으로 꾹꾹 눌러 부피를 줄임으로써 하나의 칩에 들어가는 부품 수를 늘리는 집적 과정이다.

정답: ②

도핑은 반도체에게 아주 건강한 '영양 주사'를 놔주는 거예요! 순수해서 능력이 없던 규소 반도체에 마법의 불순물 가루를 살짝 뿌려주면, 잠자던 전하 운반자들이 깨어나 득실득실해지면서 전기가 콸콸 통하는 슈퍼 반도체로 다시 태어나는 과정이랍니다.

문제 27 · 객관식

순수 반도체인 규소(Si)에 인(P)을 도핑했을 때 내부에서 일어나는 현상으로 가장 과학적이고 정확한 설명은?

• ① 인(P)은 원자가 전자가 3개이므로 규소와 결합하고 나면 전자의 빈자리인 양공이 1개 발생하여 p형 반도체가 된다.
• ② 인(P)은 원자가 전자가 5개이므로 4개는 공유 결합에 참여하고 남는 1개의 전자가 잉여 '자유 전자'가 되어 이동한다.
• ③ 인(P)이 규소(Si)의 모든 전자를 강력하게 뺏어 흡수해 버리기 때문에 전기가 전혀 통하지 않는 부도체로 변한다.
• ④ 인(P)과 규소(Si)가 격렬하게 화학 반응을 일으켜 번쩍이는 빛을 내며 타오르는 자체 발광(LED) 현상만 일어난다.
• ⑤ 인(P)은 원래 전기가 통하는 도체이므로 반도체의 구조를 완전히 부수고 하나의 거대한 금속 덩어리로 변하게 만든다.

정답: ②

규소는 양손 양발(4개)로 친구들과 손을 잡는데, 인(P)은 손발에 꼬리까지 총 5개의 결합 무기를 가진 친구예요. 둘이 만나면 4개는 짝짜꿍 손을 잡지만, 남은 꼬리 1개(자유 전자)는 갈 곳을 잃고 잉여가 되죠. 이 남은 꼬리가 바로 전기를 씽씽 나르는 자유 전자가 되어 n형 반도체를 완성하는 거랍니다!