반도체 강좌. (5) PN접합 (PN junction) 개념편.

4편쓴지 100일만이네요.
이번에 다룰 내용은 PN접합(이하 pn정션)입니다.
모스펫과 함께 반도체 공학에서 가장 중요한 부분.
여기서는 대략적인 개념만 잡고, 구체적인 계산, 수식은 다음 편에서 다루겠습니다.
관련된 내용이 많기때문에 내용 전개에 두서가 없을 수 있습니다. 양해바랍니다.


(1) PN접합. (PN junction)

기본은 간단합니다.
P타입 반도체와 N타입 반도체를 붙여놓은겁니다.


(2) 공핍영역. (Depletion region, Space Charge Region)
pn정션에는 공핍영역이 존재합니다.

p타입 반도체의 Majority carrier(이하 머조리티 캐리어)는 홀이고, n타입 반도체의 Majority carrier는 전자지요.
이 둘을 붙여놓으면 전자와 홀의 농도차이가 발생합니다.
농도차이로 인해 전자와 홀의 확산(diffusion)이 일어나고요.

p타입에 있는 높은 농도의 홀이 홀농도가 낮은 n타입쪽으로 확산됩니다.
반대로 n타입에 있는 높은 농도의 전자이 전자농도가 낮은 p타입쪽으로 확산됩니다.
이 과정에서 전자와 홀이 재결합합니다.
그 결과 p타입과 n타입이 접합된 경계를 중심으로 전자와 홀이 존재하지 않는 영역이 발생합니다.

p타입에서 캐리어인 홀이 없으니 그 영역에는 공간전하(space charge)만이 남아있습니다.
p타입에서 공간전하의 극성은 (-)지요.
n타입에서도 같은 방식으로 (+)의 공간전하만이 남아있습니다.

캐리어가 없기때문에 '공핍영역' Depletion region 이라고 부릅니다만,
공간전하만 있다고 'Space Charge Region' 이라고 부르기도 합니다. 줄여서 SCR로 부르기도 합니다.
어느 쪽으로 부르든 잘 알아들읍시다.


(3) Electric Field
SCR의 공간전하로 인해 E필드가 발생합니다.
E필드는 (+)에서 (-)방향이니 pn정션에서는 E필드의 방향은 n타입에서 p타입입니다.

(4) PN접합에서의 에너지 밴드.
열평형상태(Thermal Equilibrium state)에서 페르미 준위는 플랫(flat)하게 유지됩니다.
하지만 에너지 밴드 내에서 페르미 준위의 위치는 p타입과 n타입이 다릅니다.
이 두 페르미 준위가 플랫해지려면 전체 에너지 밴드가 변화해야하지요.
그 결과 아래와 같은 에너지 밴드의 형태가 형성됩니다.

(5) Built-in potential Barrier, Built-in Voltage
위의 에너지 밴드를 보면 p타입과 n타입 사이에 에너지 차이가 존재하는걸 알 수 있습니다.
p타입쪽의 에너지 준위가 높지요.
이 차이를 Potential barrier 라고 합니다.

포텐셜 배리어의 단위가 eV인데, 이는 p타입과 n타입 사이에 전압 차이가 있다는 얘기가 됩니다.
에너지 밴드는 전자를 기준으로 하는 것이기때문에 전압 차이는 이와 반대가 됩니다.
n타입쪽 전압이 높은 것이지요.
그렇기때문에 저 위의 전압 그래프가 나오는겁니다.

조금 돌아가는 방법으로 이해할 수도 있습니다.
에너지 밴드를 보면 p타입쪽의 에너지 준위가 높지요.
전자가 p타입에서 n타입으로 이동하기 쉬운 상태인겁니다.
(에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 움직이기 쉬운게 순리.)
전자가 p타입에서 n타입 방향으로 이동한다는건 전류가 n타입에서 p타입으로 흐른다는 얘기이고,
캐리어 흐름을 통해 n타입쪽의 전압이 높다는 해석이 가능합니다.

(6) 열평형상태에서 PN접합에 왜 전류가 흐르지 않는가.
에너지 준위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전자가 이동하기 쉽고, 낮은 곳에서 높은 곳으로 홀이 이동하기 쉽습니다.
전(前)자는 p타입에서 n타입 방향이고, 후(後)자는 n타입에서 p타입 방향입니다.
즉, 전자는 p타입에서 n타입 방향으로 이동하기쉽고, 홀은 n타입에서 p타입 방향으로 이동하기 쉽습니다.

그런데 전자는 n타입에 많이 있습니다. p타입으로 전자가 이동하기 힘듭니다.
홀은 p타입에 많이 있지만, n타입으로 홀이 이동하기 힘듭니다.
built-in potential barrier때문이지요.


(7) Forward bias
p타입쪽에 (+)전압을 걸어주는 경우를 Forward bias라고 합니다.
전류가 흐를 수 있기때문이지요.

p타입쪽체 (+)전압을 걸게되면 p타입쪽 에너지 밴드는 내려가게됩니다.
에너지 밴드는 상대적인 비교이기때문에 n타입쪽 에너지 밴드가 올라간다고 말할 수도 있습니다.
에너지 밴드가 나타내는 것이 전자, (-)극성 캐리어의 에너지를 나타내기때문에 걸리는 전압과 반대 방향으로 변화합니다.

built-in potential barrier가 낮아지면서 전자와 홀이 이동할 수 있게 됩니다.
전류가 흐르기 쉬운 상태가 된 것이지요.

전기적으로 전자가 (+)극인 p타입쪽으로 끌려가고, 홀이 (-)극인 n타입쪽으로 끌려가기때문에 전류가 흐르기 쉬워진다고 해석할 수도 있습니다.

같은 현상을 다양한 특성으로 표시하고 해석하는 것이지요.


(8) Reverse bias
p타입쪽에 (-)전압을 걸어주는 경우를 Reverse bias라고 합니다.

p타입쪽체 (-)전압을 걸게되면 p타입쪽 에너지 밴드는 올라가게됩니다.
에너지 밴드는 상대적인 비교이기때문에 n타입쪽 에너지 밴드가 내려간다고 말할 수도 있습니다.

built-in potential barrier가 높아지면서 전자와 홀이 이동할 수 없게 됩니다.
전류가 흐르기 힘든 상태가 됩니다.

전기적으로 전자가 (+)극인 n타입쪽으로 끌려가고, 홀이 (-)극인 p타입쪽으로 끌려가기때문에 전류가 흐르기 힘들어진다고 해석할 수도 있습니다.