반도체를 이해할 때 가장 중요한 구조 중 하나가 바로 pn 접합입니다.
pn 접합은 p형 반도체와 n형 반도체를 붙여 만든 구조입니다.
n형과 p형은 무엇이 다를까?
n형 반도체는 전자가 많고(negative), p형 반도체는 정공이 많습니다(positive).
즉, 두 영역은 각각 전자와 정공을 다수 반송자(majority carrier)로 가지고 있어요.
두 반도체를 붙이면 어떤 일이 일어날까?
n형 반도체와 p형 반도체를 붙이면,
전자는 양이 많은 영역인 n형 반도체 영역에서 양이 적은 p형 반도체 영역으로,
정공은 p형 반도체 영역에서 n형 영역으로 이동합니다.
이처럼 양(농도)의 차이로 인하여 이동하는 메커니즘을 확산(diffusion)이라고 합니다.
공핍층의 형성
이렇게 전자들이 n형 반도체에서 p형 반도체로 확산으로 이동하면
pn 접합면 경계 부근 n형 영역의 원자들(도너)은 전자를 잃어 양의 전하를 띄는 이온이 되고,
이 넘어온 전자들을 붙잡은 p형 영역의 원자들(억셉터)은 음의 전하를 띄는 이온이 됩니다.
그래서 pn 접합면 경계 부근에는 자유롭게 움직일 수 있는 반송자가 거의 남지 않게 돼요.
이 영역을 공핍층(depletion region)이라고 합니다.
전기장의 형성
공핍층 내 n형 반도체 영역에는 움직일 수 없는 양의 전하들이 존재하게 되고,
p형 반도체 영역에는 움직일 수 없는 음의 전하들이 존재하게 되지요.
이 전하들은 pn 접합 경계면을 사이에 두고 공간적으로 분리되어 있기 때문에,
양의 전하 영역에서 음의 전하 영역으로, 곧 n형 반도체에서 p형 반도체 영역 방향으로
전기정이 형성됩니다.
이 전기장은 n형 영역의 전자들이 p형 영역으로 확산되는 것을 막는 방향으로 작용합니다.
왜 전류가 한 방향으로만 잘 흐를까?
pn 접합의 핵심은 바로 이 부분입니다.
외부에서 전압을 어떻게 걸어주느냐에 따라 한 쪽으로는 전류가 잘 흐르고,
반대 방향으로는 잘 흐르지 않습니다.
이를 정류 특성(rectificatioin)이라고 합니다.
순방향 바이어스
n형 영역 대비 p형 영역에 높은 전압을 걸어주는 것을
순방향 바이어스(forward bias) 조건이라고 합니다.
이 순방향 바이어스는 경계 부근에서 움직일 수 없는 음의 전하들이 존재하는 p형 영역의
전위를 높여주어, 공핍층에 형성되어 있던 전기장을 약하게 해주고
n형 영역의 전자들이 p형 영역으로, 그리고 p형 영역의 정공들이 n형 영역으로
쉽게 확산될 수 있도록 해줍니다.
역방향 바이어스
반대로 n형 영역 대비 p형 영역에 낮은 전압을 걸어주는 것을
역방향 바이어스(reverse bias) 조건이라고 합니다.
이 전압 조건은 공핍층 내에 형성되어 있던 전기장을 더욱 세게 하고,
공핍층이 더욱 확장되게 해주며, n형 영역의 전자들이 p형 영역을 바라보았을 때의
포텐셜 에너지 장벽을 더욱 높게 만들어 줍니다.
그 결과, n형 영역의 전자들은 p형 영역으로, 그리고 p형 영역의 정공들은 n형 영역으로
확산되기가 더욱 어려워져, 전압을 가함에도 불구하고 전류가 흐르지 않게 되는 것이지요.
정리
pn 접합은 한 방향으로만 전류의 흐름이 이루어질 수 있도록 해주는 반도체 구조입니다.
전압을 가했을 때, 전류가 흐른다는 것은 순방향 바이어스 조건임을 의미하고,
전압을 가함에도 불구하고 전류가 흐르지 않으면 역방향 바이어스 조건임을 뜻합니다.
모든 반도체 소자들은 pn 접합에서 출발한다고 할 수 있습니다.