Physical electronics: PN 접합 반도체 1.1 (P-N Junction)

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* 해외 대학을 재학 중이기 때문에 영어 사용이 조금 많을 수 있지만 최대한 한국어로 번역하려 노력중입니다.

* 효율적인 타이핑을 위해 "~이다" 의 문체를 사용합니다. 양해 부탁드립니다! 

 

 

 

P-N 접합 1.1 (P-N Junction)

 

PN 접합이란 n-type 과 p-type 반도체의 금속학적 접합 (metallurgical) 을 말한다. 

이것을 자세히 설명하려면 먼저 반도체에 대한 기본적인 용어를 정리할 필요가 있다. 

 

 

반도체란 전기를 통하게 할 수 있는 도체와 전기가 통하지 않는 부도체의 성질을 둘 다 가지고 있는 물질을 말한다. 

온도 등 여러 변수를 통해 전기 전도성 (conductivity) 를 조절할 수 있다. 대체로 온도가 높아질수록 전도성이 높아지고, 여러 전자 기기의 소자에 사용된다. 

 

이러한 반도체는 결합을 이루고 있는 형태로 사용되기도 하는데, 이때 접합 (junction) 에는 크게 두 가지의 종류가 있다. 

• 첫 번째 접합 종류는 반도체-반도체의 접합이다. 도핑 농도나 도핑 종류를 다르게 한 같은 재료의 반도체를 서로 연결한 것이다. 현재 가장 대표적으로 쓰이는 물질인 실리콘-실리콘 (Si-Si) 접합이 그 예시이다. 
• 두 번째는 금속-반도체 접합인데, 단어 그대로 금속과 반도체 물질의 접합을 의미한다. 예시로는 실리콘과 게르마늄 (Si-Ge) 접합이 있다. 

 

 

이제 다시 pn 접합으로 돌아와 설명하자면, 그 원리는 기본적으로 접합 사이의 전기장 (electric field) 와 electron energy 을 컨트롤하여 접합 사이로의 전류 흐름을 차단하거나 흐르도록 열어준다. 

 

위의 그림은 p 와 n 구간이 잘 나누어져 있게 표현되었는데, 이는 이론적으로 pn 접합에 대해 배울 때 많이 사용되는 그림이고 실제로는 아래의 회색 형태와 비슷하게 되어 있다. 

 

 

 

이러한 pn접합이 사용되는 예시로는 다이오드가 있다. 다이오드는 양 쪽이 각각 Anode (+) 와 Cathode (-) 로 달리 이루어져 있는데, 이러한 접합이 전류를 한 방향으로 흐르도록 도와 준다. 

 

 

이 pn접합이 사용된 다이오드의 특성을 조금 알아보자. 

 

 

다이오드는 전류의 방향이 forward bias 일 때만 흐르는 것을 허락하고 반대의 reverse bias 는 차단한다. 그러므로 아래의 간단한 전류 (Id) - 전압 (Vd) 그래프와 같이 일정 이상의 문턱 전압 (Threshold voltage) 을 넘어선다면 (주로 0.5V 와 0.75V 사이이다) 전류가 흐르고, 반대 방향의 전류는 차단하는 것을 볼 수 있다. 

 

 

하지만 다이오드가 전류를 무조건적으로 다 막을 수 있다는 것은 아니다. 다이오드도 breakdown point 가 존재하는데, 만약 reverse bias 전압이 너무 크다면 다이오드는 반대로 흐르는 전류를 더는 막을 수 없어진다. 

 

다이오드의 종류마다 다를 수 있지만 가장 흔하게 학부생들이 회로 실험에 쓰이는 다이오드들은 -20V 에서 -30V 가 breakdown 이 일어난다. 

 

 

그리고 그 옆은 이상적인 다이오드의 계산에서 사용되는 공식이다. 이 공식은 다이오드에 흐르는 전류를 계산 할 수 있게 해 준다. 

• q (기본 전하) = 1.602×10^−19 Coulombs
• A = 다이오드의 단면의 넓이 (cross-section area) 
• Dp = 홀 (hole) 의 diffusion coefficient (*주의* 홀은 p-type 캐리어이다) 
• Lp = 홀의 확산 거리 (diffusion length of holes) 
• Pn = n 쪽에서의 홀의 농도 (hole concentration on the n-side of the junction)
• Dn = 전자 (electron) 의 diffusion coefficient (*주의* 전자는 n-type 캐리어이다) 
• Ln = 전자의 확산 거리 (diffusion length of electrons) 
• np = p 쪽 접합에서의 전자 농도 (electron concentration on the p-side of the junction) 
• V = 다이오드에 걸린 전압 
• K = 볼츠만 상수 (Boltzmann constant) 
• T = 온도, 켈빈 단위 (temperature in Kelvin) 

 

 

 

다이오드를 통해 조금의 pn 접합의 예시를 살펴 보았으니 다시 내용으로 돌아와서, 먼저 접합을 이루기 전의 각각 n-type 과 p-type 의 특징을 보자. 

 

 

각각의 n 과 p 의 도핑 농도는 일정하고, 전류도 x-축과 평행하게 변화 없이 흐르는 것을 알 수 있다. 그리고 기본 형태에서는 열평형 (thermal equilibrium) 상태이다. 

 

 

하지만 접합을 이루고 난 다음은 아래와 같이 변한다.  

접합이 이루어지만 전기장 (electric field, E) 이 n-type 에서 p-type 방향으로 형성되며 전자 (electron) 들이 p 에서 n 으로 흐른다. 반대로, 홀 (hole) 들은 n 에서 p 로 흐름을 형성한다. 

이때 형성된 전기장과 관련된 전압을 접촉전위차 (Contact Potential Vo) 라고 부른다. 다른 말로 내부형성전압 (Built-in Potential) 으로 불리기도 한다. 

 

*사실 홀은 물질이 아니므로 스스로 움직이는 개념과는 조금 다르지만 설명의 편의성을 위해 이렇게 표현했습니다! 홀은 전자의 부재로 인해 +성질을 띄게 되는 구간입니다. 영어로 직역하면 absence of electron 입니다.*

 

확산 반응 (diffusion) 을 통해 페르미 준위 (Fermi level) 가 n과 p구간에서 평형을 이루게 된다.

보라색으로 그어진 Efp = Efn 부분이 Equilibrium 에 도달한 페르미 레벨을 보여준다. 

 

또한 접합을 이루고 있는 이 사이의 구간에는 net current 가 흐르지 않는데, 이 구간을 공간전하영역 (Space Charge Region, SCR) 혹은 공핍 영역 (Depletion region) 으로 부른다. 

이유는 이 사이에는 electron 과 hole 들이 없어져 ionized 된 불순물들만 남아있기 때문이다. 

 

 

 

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기초적인 pn 접합에 대한 내용을 소개하였는데, 다음 글은 pn접합 반도체의 parameter 들을 계산하는 예시 문제를 풀며 공식들을 소개하겠습니다.