9강. PN접합의 이해 (PN Junction)

이번 포스팅은 PN접합(PN Junction)의 이해입니다.

이 PN접합을 통하여 PN접합 다이오드의 특성과 구조를 이해할 수 있고, PN 접합 다이오드의 페르미레벨 에너지 준위를 통해 동작원리를 이해하실 수 있을 것입니다.

바로 설명들어가도록 하겠습니다. 아래 N-type 반도체에 고농도로 Doping된 P-type 반도체를 접합 해보겠습니다.

P-type 반도체를 접합하기 위해 Acceptor 이온을 주입합니다.

이때, 깊이에따라 Donor이온과 Acceptor이온의 농도를 확인해 보겠습니다.

이제 PN접합을 이해하기 위하여 아래 빨간색 네모박스 부분을 따로 떼어내어 살펴보겠습니다.

P-type반도체와 N-type을 접합한 경우, 공핍영역이 생깁니다.

이 "공핍영역(Depletion Region)"이란 전자나 정공이 없는 즉, 캐리어가 존재하지 않는 영역을 말합니다.

그렇다면 원래는 어떤 구조로 되어있는지 살펴보고, 다시 접합시켜보겠습니다.

각 Type의 반도체에서 정공과 전자들이 주요 캐리어로 자리잡고 있습니다.

그리고 각 반도체들은 평형상태에서는 전기적으로 중성인 상태임을 저희는 알고있습니다.

여기서 두 반도체를 다시 접합시켜 보겠습니다.

위 그림은 반도체를 접합시켰을 때, 전자와 정공이 서로 결합되어 상쇄되는 것을 보여주고있습니다.

이 현상을 EHP 즉, Electron Hole Pair라고 부릅니다.

서로서로 상쇄된 결과 두 영역이 접하는 구간에서는 캐리어가 없는 상태인 공핍상태가 됩니다.

그리고 공핍영역에서는 NA와 ND이온만이 존재하고 있습니다.

ND이온은 Plus성질을 가지는 이온이고 NA는 Minus성질을 가지는 이온입니다.

즉, 전기적인 위치에너지 차이가 존재하여 공핍영역에서는 전기장이 발생합니다.

이 전기장에 의해 N-type반도체와 P-type반도체에서 각각 전자와 정공이 공핍영역으로 들어와 EHP현상을 지속적으로 일으킵니다.

또한 이 전기적인 위치에너지를 Built-in Voltage라고 부르며, 에너지 장벽이 형성됩니다.

이제 Built-in Voltage를 구하기 위해 각 과정들을 살펴보겠습니다.

1. charge

공핍영역을 제외한 나머지 영역에서는 전기적으로 중성임을 확인하였습니다.

하지만 공핍영역에서는 NA에 의한 -전하, ND에 의한 +전하가 있기 때문에, 아래와 같이 구분됩니다.

두 사각형 면적의 넓이는 같습니다. 왜냐하면 같은 전하량이 모여 평형을 이루기 때문입니다.

그리고 이때, 각 반도체마다 공핍영역의 크기가 다른데 이것은 Doping농도의 차이입니다.

P-type반도체는 1017수준의 Doping, N-type반도체는 1015수준의 Doping을 했기 때문에, 농도가 높은 P-type쪽에서 공핍영역이 적게 나타납니다.

 

2. Electric Field

위의 식을 이용하여 전하를 통해 전기장을 구할 수 있습니다.

이제 전기장을 구했으니, 전압을 유도할 수 있습니다.

3. Built-in Voltage

 

위 식을 통해 유도한 Voltage 그래프입니다.

P-type에서 N-type까지 Built-in Voltage가 형성되어 에너지 장벽이 형성되어있는 것을 알 수 있습니다.

이 에너지 장벽때문에, 반도체가 스위치처럼 동작할 수 있습니다.

(전기가 통하지않는 부도체와 전기를 통하는 도체사이 중간적인 역할을 하는 물질)

Built-in Voltage의 값을 구해보겠습니다. 이를 구하기 위해 Electric Field 그래프의 면적을 구하면 됩니다.

만약 Wdep값을 모르고 Built-in Voltage값을 안다면, Wdep를 역으로 구해볼 수 있습니다.

그리고 P-type, N-type 과 같이 반도체의 종류에 따라서, 공핍영역은 아래와 같이 근사화 할 수 있습니다.

다음 포스팅에서는 PN접합 반도체의 평형상태와 평형상태가 아닐때를 살펴보면서, 스위치 역할을 수행하는 원리에대해 알아보겠습니다.