PN 접합에 대한 이해 (P형, N형 반도체)

기본 개념

Si 시료의 한쪽은 n-type, 다른 한쪽은p-type으로 doping된 경우 열평형 상태에서 두 반도체 사이의 junction을 고려해보자. p-type의 경우 순수한 Si 결정에 3족 원소를 dopingdoping 한 것으로 원자가가 3개인 불순물 원자는 원자가가 4개인 Si과 결합 시 전자 1개가 부족하게 되고 그것이 곧 정공(hole)이 된다.

 

이 때, 불순물원자(억셉터, acceptor)와 hole은 약하게 결합하고 있다. (이는 Energy band diagram에서 밴드갭 내부에 억셉터 에너지 준위를 생성하는 것으로 설명할 수 있다.) 이는 상온에서도 쉽게 끊어지며 에너지 밴드에서 억셉터 준위에 있던 전자가 Valance band로 넘어가 자유 정공이 된 상태이다. ( 이 때, acceptor는 -1가로 이온화된다. )

 

n-type의 경우 순수한 Si 결정에 5족 원소를 dopingdoping 한 것으로 원자가가 5개인 불순물 원자는 원자가가 4개인 Si과 결합 시 전자 1개가 과잉으로 남게 되고 이는 불순물 원자(도너,(도너 donor)와 약하게 결합하고 있다. (이는 Energy band diagram에서 밴드갭 내부에 도너 에너지 준위를 생성하는 것으로 설명할 수 있다.)

 

 

이는 상온에서도 쉽게 끊어지며 에너지 밴드에서 도너 준위에 있던 전자가 Conduction band로 넘어가 자유전자가 된 상태이다. ( 이 때이때, donor는 +1가로 이온화된다. )      

 

근처에서 n-region의 자유전자와 재결합(recombination, 높은 에너지 준위에 있는 자유전자는 에너지적으로 안정화되기 위해 자유 정공과 결합한다. )한다. 이와 같은 맥락으로 p-region으로 확산한 자유전자는 접합부 근처에서 p-region의 자유정공과 재결합한다.

 

이 때, 접합부 근처에서 운반자가 상대적으로 모자라는 공핍층(depletion layer)이 생겨난다. ( 다른 전공 용어로 공간 전하층 ( space charge layer, SCL ) 이라고도 한다. 상대적으로 전하 운반자가 모자람에 따라 acceptor이온과 donor이온이 드러나기 때문이다. )

 

▶ 왜 정류작용을 하게 되는가?

 먼저 정류작용은 전압을 가해주는 방향에 따라서 전류가 잘 흐르는 정도가 달라지는 성질을 정류 작용이라고 한다. 좁은 의미로는 한쪽 방향으로는 전류를 통하나, 반대 방향으로는 통하지 않게 하는 성질을 말합니다. 이것은 정방향 바이어스와 역 바이어스 원리로 설명 가능합니다.

 

1) 정방향 바이어스(forward bias)의 원리

 1. 전압은 n 쪽에서 전자가, p 쪽에서 양공이 접합면에 가까워지게 밀어 넣음.(그림 1)

 2. 접합면에서 전자와 양공이 결합할 가능성이 높아짐.

 3. 전지가 계속적으로 운반자(전자와 양공)를 공급함.

 4. 일정한 전류가 유지됨.

 

2) 역방향 바이어스(reverse bias)의 원리

 1. 전압은 n 쪽에서 전자가, p 쪽에서 양공이 접합면에서 멀어지도록 나오게 함.(그림 2)

 2. 고정된 불순물 전하 때문에 생기는 전기장이 공핍 영역(*)의 너비를 증가시킴.(그림 3-b)

 3. 전압에 의해 가해진 전기장과 공핍층 전기장과 평형을 이룸.

 4. 전류의 흐름이 멈춤.

*공핍영역: 접합면 근처에서 전자와 양공이 거의 없는 영역