PN junction

개인적으로 반도체를 공부하면서 가장 어려웠던 것은 반도체라는 단어 자체가 가지는 광범위함(?)이었음.

p형/n형 반도체부터 메모리 반도체까지 모든 곳에 반도체라는 단어가 붙는데 두 대상간의 갭 차가 너무 크게 느껴져서 모호했는데,

구글 서치를 하면서 내가 지금까지 가지고 있던 애매모호함을 한번에 정리해주는 내용을 읽게 됨.

 

이렇게 우리는 전하 캐리어와 dopant 그리고 p형, n형 반도체에 대해서 알아보았습니다. 그런데 여기서 중요한 사실이 하나 있습니다. 우리가 지금까지 다룬 반도체는 '소자'(Device)가 아니라는 점입니다. 소자는 기본적으로 어떤 목적을 위해 설계된 장치를 의미합니다. 즉, 소자가 되지 않은 반도체는 그냥 특정한 전기적 성질을 가지고 있는 '물질'일 뿐입니다. 우리 투자자들이 관심을 갖는 반도체 '제품'과는 조금 다른 개념입니다. 단순한 반도체(진성, p형, n형)를 반도체 소자로 탈바꿈 시켜주는 마법은 pn junction(pn 접합)이라고 불리는 과정입니다. 

즉, silicon에 도핑한 p형, n형 반도체는 반도체의 특성을띄는 물질이고, 이 물질을 이용해 전자 제품들에서 사용할 수 있는 칩을 구성하는 반도체 소자를 만드는 것임.

 

PN junction 이란?

P형 반도체와 N형 반도체를 접합(juntion)한 것을 말함.

P형 반도체의 메인 캐리어는 hole이고 N형 반도체의 메인 캐리어는 전자이기 때문에 둘을 접합하면 확산 현상이 발생하며 hole과 전자가 결합하게 됨.

이 영역은 캐리어가 없다는 의미에서 공핍층, 공핍영역(Depletion Region)이라고도 하고, hole과 전자만 이동하고 각각 양이온과 음이온은 그대로 남아 있는 상태이기 때문에 공간전하영역(Space Charage Region)이라고도 함.

공핍층에는 공간전하 때문에 전기장(Electric Field)가 생성되고 공간 전하가 (+)인 N형 반도체에서 공간 전하가 (-)인 P형반도체로 전류가 흐르게 됨.(전류와 전자의 방향의 반대 방향이기 때문에 전자는 P형에서 N형 반도체 쪽으로 흐름)

근데 열평형상태(전압이 인가되지 않은 상태)에서는 전류가 흐르지 않음. 

PN접합으 에너지 밴드를 보면 P형과 N형사이에 에너지 차이가 존재하고 이를 built-in potential barrier라고 함. 

전자는 에너지 준위가 높은 곳(P형 반도체)에서 낮은 곳(N형 반도체)쪽으로 이동하는데 전자는 N형 반도체에 더 많고 이 전자가 이동하기에 Potential Barrier가 너무 높은 것임.

• 전자는 에너지 준위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동 P -> N
• 전류는 전자의 이동 방향과 반대 방향임 N -> P
• 전류는 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐름. 따라서 전압은 N > P
• 에너지 준위는 전자를 기준으로(전자의 에너지) 이야기 하기 때문에 전압과 반대임. P > N
• 전자는 에너지 준위가 높은 곳에서 낮은 방향으로 이동하기 쉬움
• 홀은 에너지 준위가 낮은 곳에서 높은 방향으로 이동하기 쉬움

하지만 순방향 전압(Forward Bias)를 걸어주면 전류가 흐를 수 있게 됨.

Forward Bias는 P type에 +전압, N type에 - 전압을 걸어주는 걸 말함.

P type에 + 전압을 걸어주게되면 P type 쪽 에너지 밴드가 내려가게 되고(N type 쪽 에너지 밴드가 올라간다고 볼 수도 있음.) 전압 차는 더 커지게 됨. 

이 때 built-in barrier가 낮아지면서 전자와 hole이 이동할 수 있게 됨.

쉽게 생각해서 전기적으로 전자가 + 전극을 띄는 P type 쪽으로 끌려가고 hole이 -전극을 띄는 N type 쪽으로 끌려가는 거라 생각해도 됨.

 

반대로 역방향 전압(Reverse Bias)는 Forward Bias와 다르게 P type에 -전압,  N type에 + 전압을 걸어 줌.

이 경우 P type의 에너지 밴드가 더 올라가게 되고(N type 쪽 에너지 밴드가 내려간다고 볼 수도 있음) built-in potential barrier가 커지면서 전자와 hole이 이동하기 힘들어 짐. 전류가 흐르기 힘듬.

참고 )

https://gamma0burst.tistory.com/594

반도체 강좌. (5) PN접합 (PN junction) 개념편.

https://m.blog.naver.com/PostView.naver?blogId=dlwnsqud123&logNo=222030113400 

[반도체] 1. 반도체의 기초 (6) PN 접합, 다이오드