pn 접합(pn junction)과 공핍층(depletion layer)

pn 접합 (pn junction)

 

pn 접합(pn junction)이란 p-type 반도체와 n-type 반도체를 접합한 구조이다. 

p-type의 majority carrier은 정공이고 n-type의 majority carrier은 전자이기 때문에 이들의 농도차로 인해 확산(diffusion)이 일어난다. 

 

이때 p-n 접합부에서는 전자(electron)와 정공(hole)이 서로 상쇄되어 공핍층(depletion layer)이 형성된다. 공핍층 안에서 n형 반도체 쪽은 donor 양이온이 많아 (＋)으로, p형 반도체 쪽은 acceptor 음이온이 많아 (ー)으로 대전되기 때문에 내부에 전기장(Electric field)이 발생하며 이에따른 전위차가 발생하게 된다.

 

여기서 주의할 점은 전자와 정공만이 이동하여 상쇄되는 것이지, 음이온이나 양이온은 이동하지 않고 전위차만 발생시킨다는 것이다.

 

 

 

열평형 상태(Thermal equilibrium state)에서 전체 페르미 준위는 일정하지만, p-type쪽와 n-type쪽의 에너지 차이가 있는 것을 확인할 수 있는데, 이것을

contact potential 또는 built in potential

이라고 하며 더 이상의 확산이 일어나는 것을 방지한다.

 

 

순방향 바이어스 (Forward bias)

 

p-type쪽에 (+)를 걸어주는 것을 forward bias라고한다. 이렇게 되면 potential barrier가 낮아지게 된다. 전자가 (+)쪽으로 끌려가게 되고 정공은 (ー)쪽으로 끌려가게 되면서 전류가 흐르게 된다. 이에 따라 공핍층이 줄어들게 되며 순방향 전압이 증가함에 따라 흐르는 전류 또한 급격하게 증가하게 된다. 

 

p-type 반도체 내에 있던 정공들은 접합면을 넘어 (ー) 전압이 걸려있는 n-type 반도체 쪽으로 넘어가 며 n-type 반도체 내에 있던 전자들은 접합면을 넘어 (+) 전압이 걸려있는 p-type 반도체 쪽으로 넘어간다. 접합면을 지나 n-type 반도체 쪽으로 들어간 정공은 minority carrier가 되고, (n형 반도체의 majority carrier는 전자이므로 정공은 minority carrier 가 된다) 접합면을 지나 p-type 반도체 쪽으로 들어간 전자 역시 minority carrier가 되어 전류를 흐르게 하는 것이다. 

 

따라서 다이오드에 흐르는 전류는 minority carrier로 작용하는 정공과 전자에 의한 전류의 합이 된다. 또한 접합면에서 전자와 정공의 결합이 일어나므로 에너지가 열 또는 빛의 형태로 방출 된다.

 

 

 

역방향 바이어스(Backward bias)

 

반대로, n-type쪽에 (+)를 걸어주는 상태를 backward bias라고 하며 potential barrier가 높아지게 된다. 전자가 (+)극 쪽으로 끌려가게 되고 정공은 (ー)쪽으로 끌려가게 되면서 공핍층이 증가하며 역방향에는 전류기 흐르기 어렵게 된다. 즉, 각 반도체의 majority carrier들이 접합면으로부터 더 멀어지므로 donor 또는 acceptor의 이온만 남게 되므로 결국 공핍층이 더 커지고 전위장벽은 더 높아지게 되는 것이다.

 

 

 

 

그러나 이 상태에서도 minority carrier들에 의한 전류가 흐를 수 있다. 실제 다이오드에서는 backward bias를 건 상태에서도 매우 작은 역방향 전류(reverse saturation current)가 흐른다. 

 

이는 p형 반도체 내부에는 적은 양의 전자(minority carrier)가 존재하고 n형 반도체 내부에도 적은 양의 정공(minority carrier)이 존재하기 때문이다. 이들은 donor와 acceptor 이에 의해서 생겨난 것이 아니라 실리콘 자체에서 발생한 것들인데 (intrinsic semiconductor은 상온에서 일부 전자가 열에너지를 얻어 conduction band로 올라가면서 valence band에 정공을 남긴다) 상온에서 이들의 양은 극히 적다.

 

p-type 반도체 내에 있는 전자는 backward bias에 의해 p-type 반도체 쪽으로부터 n-type 반도체 쪽으로 접합면을 통과하여 흐르고 n-type 반도체 내에 있는 minority carrier인 정공 역시, n-type 반도체 쪽으로부터 p-type 반도체 쪽으로 접합면을 통과하여 흐르므로 minority carrier에 의한 전류가 흐르게 되는데, 이 전류를 누설 전류(leakage current) 또는 드리프트 전류(drift current)라고 한다. 

 

 

더욱 역방향으로 걸어주는 전압을 높게 하면 electrical breakdown이라는 현상이 발생하여 급격히 전류가 흐르게 된다. 이러한 원인에는 크게 두가지가 있는데, (1) Zener breakdown과 (2) Avalanche breakdown이다. 자세한 것은 다음 포스팅을 참조하자.

 

https://allgo77.tistory.com/108