반도체 기초 공부 :: pn접합(pn junction) depletion region 공핍영역에 대해

안녕하세요 Jista입니다.

오늘은 반도체의 기초인 PN junction에 대해 알아보겠습니다. energy band 부분은 다음에 포스팅하도록 할게요.

 

Semiconductor은 도핑을 통해서 p type과 N type으로 나뉩니다.

P type은 hole이 주 carrier 이고 N type은 electron이 주 carrier입니다.

아무 도핑도 안 한 Si 같은 경우에는 결합 속 전자가 서로 짝을 이루고 있어 자유로운 전자가 없습니다. 그림을 보시면 전부 1쌍 전자 2개씩 짝을 이루고 있지요?

N type doping

하지만 만약 전자가 한 개 더 많은 원자를 도핑해준다면(넣어준다면) 기존에 있던 Si 원자를 쫓아내고 그 자리를 새로 들어가는 도핑 원자가 차지합니다. 이를 N type 도핑이라고 부릅니다. 

이렇게 자유로운 전자가 한 개 생겨나서 전류는 흐를 수 있게 됩니다. 전류는 전자의 흐름이니깐요! 첫 번째 아무 도핑도 안된 상태에서는 자유로운 전자가 없어서 전류가 못흐른다! 하지만 두번째 n type 도핑된 반도체에서는 Si보다 전자가 1개 더 많은 원자의 추가로 인해 자유로운 전자가 1개 생겨 전류가 흐른다. 라고 아시면 됩니다.
그림 보시면 원래있던 전자들 다 치고 깽판치고 움직이게 만들죠? 움직이기만 하면 전류가 흐릅니다 ㅎㅎ.

P type doping

만약 전자가 한 개 더 적은 원자를 도핑한다면(p type 도핑) 기존에 있던 Si 원자를 쫓아 내고 그 자리를 새로 들어가는 도핑 원자가 차지하게 됩니다.

Hole은 아무것도 없는 빈공간이라는 의미인데 꽉꽉 밀집되어 있던 곳에서 조금 숨통이 트이는 공간이 생기면 전자들은 유치원생들처럼 마구 뛰어다닙니다. 움직일 공간이 생겼으니깐요! 위 그림을 보면 저희 눈에는 hole이 움직이는 것처럼 보이지만 실제로 전자가 빈 공간을 차지하며 움직입니다. 그냥 이해하기 편하게 hole이 움직인다고 해요~ 마찬가지로 p type도 전자가 움직이니 전류가 흐릅니다.

 

여기서 알아두셔야할 점 두가지! P type은 hole이 주요한 carrier고 N type은 electron이 주요한 carrier입니다. Carrier란 전류를 발생시키는 전류 운반책이라고 보시면 돼요.

PN junction이란?

PN junction은 P type 반도체와 N type반도체를 접합시킨 것입니다. 만약 이 둘을 접합시키면 어떻게 될까요?

위 그림처럼 carrier들의 확산이 일어나게 됩니다. 향수를 뿌리게 되면 향수가 공기중에서 사방으로 퍼지게 되죠? 사방으로 퍼지게 되는 이유는 농도가 높은곳에서 낮은곳으로 확산하려는 성질이 있기 때문입니다. Carrier도 마찬가지입니다. 왼쪽 P type semiconductor에서는 Hole의 농도가 매우 높으므로 +가 오른쪽으로 확산하게 됩니다.

마찬가지로 오른쪽 N type semiconductor에서는 electron의 농도가 매우 높으므로 -가 왼쪽으로 확산하게 됩니다.

서로 반대방향으로 확산하다보면 +와 -가 만나, electron과 hole이 만나 재결합을 하게 됩니다. 결국 +1 + (-1) = 0 로 중성을 만들게 되죠.

 

그 결과 hole도 electron도 존재하지 않는 공간이 만들어지게 됩니다. 그 공간을 공핍영역, depletion region이라고 정의합니다.

P type 영역에서 원자가 중성인 0를 만드려면 -를 한 개 가져야 합니다. 왜냐하면 P type속 도핑된 원자들은 Si보다 전자가 한 개 적은 +1인 상태이기 때문이죠. 그래서 depletion region의 왼쪽 영역은 -를 띄게 됩니다. 원래 원자보다 전자가 한 개 많다는 뜻!

N type 영역에서 원자가 중성인 0를 만드려면 +를 한 개 가져야 합니다. 왜냐하면 n type속 도핑된 원자들은 Si보다 전자가 한 개 많은 -1인 상태이기 때문이죠. 그래서 depletion region의 오른쪽 영역은 원래 n type도핑원자보다 전자가 적은 +1이다 해서 +1를 띄게 됩니다. 그치만 1은 생략해서 그냥 +라고 그려요.

 

이렇게 depletion region 오른쪽엔 +를 띄는 원자들이 있고, 왼쪽엔 -를 띄는 원자들이 있기 때문에 전기장이 +에서 -방향으로 생깁니다. N type에서 P type으로 전기장이 생긴다고 보면 됩니다.

 

만약 여기에 인위적으로 bias를 걸어주게 되면 어떨까요??

Forward bias를 걸어줄 때

Bias는 Forward bias와 reverse bias가 있는데 Forward bias는 정흐름이라고 해서 P type 쪽엔 +를 N type쪽엔 -를 걸어주는 것을 말합니다. Forward bias는 전류가 흘러요. 아래의 그림은 Forward bias를 걸어줄 때 입니다.

+는 오른쪽으로 달려들고 -는 왼쪽으로 달려드니 공핍층 입장에서는 양쪽에서 압박을 받습니다. 그래서 공핍층은 점점 더 좁아지게 됩니다. 전류는 +에서 -으로의 흐름이니 오른쪽으로 흐르게 됩니다.

 Reverse bias를 걸어줄 때 

Reverse bias의 경우엔 Forward bias입니다. P type에 주 carrier가 hole(+)와 반대인 -를 걸어주고 N type에 주 carrier가 electron(-)와 반대인 +를 걸어줍니다. Reverse bias는 전류가 흐르지 않아요.

그 이유로 p type에 있는 +들은 왼쪽 – voltage에 이끌려 왼쪽으로 가고, N type에 있는 -들은 오른쪽 + voltage에 이끌려 오른쪽으로 가거든요.

carrier들이 한 방향으로 흐르는 것이 아니라 서로 멀어지는 방향(양방향)으로 가기 때문에 전류가 흐르지 않고 공핍층은 양쪽에서 받던 압박으로부터 해방되어 더 넓어집니다.

지금까지 PN junction과 PN junction에 bias를 걸어주면 나타나는 현상에 대해 공부해보았습니다.

 

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