반도체 PN접합 과정과 원리

 PN접합은 반도체 공부를하면 초반에 배우는 내용입니다. 그래서 오늘은 PN접합에 대해 정리해도록 하겠습니다. 헷갈릴 수 있는 부분들도 확실하게 정리해보겠습니다.

 

 먼저 PN접합은 P형 반도체와 N형 반도체의 결합으로 형성됩니다. P형 반도체와 N형 반도체에 대해 간단하게 정리해보겠습니다. 아 그리고 P와N형 반도체 설명 전에 진성반도체에 대해서도 살펴보겠습니다.

 

 진성반도체(intrinsic)는 불순물의 투입이 없는 원자의 결합에서, 옥텟규칙을 이루고 있는 실리콘이나 게르마늄의 고체상태를 말합니다. 쉽게 말해 순수하게 실리콘만의 원자 결합이거나 순수하게 게르마늄만의 원자결합을 의미합니다. octet은 컴퓨팅에서 8개의 비트가 한데 모인 것을 말합니다. 이와 비슷하게 옥텟규칙은 원자의 결합에서 원자 하나가 최외각 전자 8개를 가지게 되는 규칙을 말합니다. 이러한 상태는 전기적과 화학적으로 가장 안정적인 상태라고 합니다.

 

 P형 반도체는 캐리어가 정공(=양공=hole)인 반도체입니다. 예를 들어, 14족 원소인 실리콘은 최외각 전자의 수가 4개입니다. 이러한 실리콘 원자들이 결합하게 되면 상하좌우 사방에 실리콘원자들끼리 결합하게 됩니다. 이렇게 결합하게 된다면 실리콘 원자 하나의 최외각 전자는 사방의 실리콘원자들로부터 최외각 전자를 공유하게 되어 총 8개가 됩니다.(=W진성반도체) 그런데 이 상태에서 13족인 붕소를 불순물로 투입하게 되면 붕소가 실리콘자리를 밀어내고 다른 실리콘원자들과 결합하게 됩니다. 그러나 붕소는 최외각 전자의 수가 3개이기 때문에, 8개가 아닌 7개의 최외각 전자를 가지게 되고, 옥텟 규칙이 깨지게 됩니다. 그리고 8-7=1이 되어 1개의 빈자리가 생기게 되고 그것을 정공이라고 부릅니다. 

 

 N형 반도체는 캐리어가 자유전자인 반도체입니다. 위의 예시와 같이, 14족 원소인 실리콘들의 결합인 진성반도체에서 15족 원소인 인을 불순물로 주입하게 되면 N형 반도체가 만들어집니다. 인은 15족 원소이기 때문에 최외각 전자가 5개입니다. 따라서 실리콘을 밀어내고 다른 실리콘들과 결합하게 된다면 최외각 전자가 9개가 되어 옥텟규칙이 깨지게 됩니다. 9-8=1을 해서 이 1개의 전자는 자유전자라고 불리며 결합에서 언제든지 탈출할 수 있습니다. 

 

 위에서 살펴본 P형과 N형 반도체를 결합하게 되면 PN접합이 됩니다. 그리고 다른 이름으로 다이오드라고도 부릅니다. 그런데 P형 반도체와 N형 반도체가 접합되는 부분에는 공핍층(Depletion)이라는 것이 생깁니다. 공핍층은 공간전하 영역이라고도 불리며 캐리어가 존재하지 않는 영역입니다. 이러한 공핍층은 캐리어의 확산에 의해 생기게 된 것입니다. 캐리어의 확산은 자유전자 혹은 정공의 이동을 말하며 이는 Diffusion 전류라고 불립니다. 이와 헷갈리는 것이 Drift 전류인데, Drift 전류는 확산에 의한 것이 아닌, 전계에 의한 캐리어의 움직임을 의미합니다.  전계는 전기장과 같은 말인데, 전기력이 미치는 범위라고 생각하시면 됩니다.

 

 이어서, 공핍층에는 전위 장벽(Potential Barrier)이라는 전계가 생깁니다. 이는 앞서 설명했던 Diffusion 전류에 의해 PN접합면에 양이온과 음이온이 생기면서 발생하는 전계입니다. 양이온과 음이온이 발생하는 이유 역시 캐리어의 움직임 때문입니다. PN접합을 하자마자 Diffusion 전류에 의해 P형 반도체의 캐리어인 정공과 N형 반도체의 캐리어인 자유전자가 결합하게 됩니다. 이로써 P형 반도체 쪽에는 음이온이, N형 반도체에는 양이온이 만들어집니다. 여기서 혼란을 느끼는 분들이 많은데, P형 반도체는 실리콘으로 결합된 진성반도체에 13족의 원소인 붕소를 넣어서 만든 것입니다. 그리고 이렇게 만들어진 P형 반도체는 중성입니다. 진성반도체(중성)에 붕소(중성)을 결합해도 중성임은 변하지 않습니다. 그런데 위의 상황처럼 P형 반도체의 정공에 N형 반도체의 자유전자가 들어오게 된다면 결과적으로 자유전자(-)를 하나 얻게 되는 꼴이니 중성이 깨지게 되어 -를 띄는 음이온이 되는 것입니다. 마찬가지로, N형 반도체 자체는 중성이지만, Diffusion에 의해 자유전자 하나가 P형 반도체의 정공과 결합하러 떠나게 되니, 자유전자(-) 하나를 잃어 +를 띄는 양이온이 되는 것입니다. 이러한 양이온과 음이온이 점점 늘어나게 되는데, 얼마 후에는 이온들이 장벽을 이루어 더이상 Diffusion에 의해 캐리어들이 건너갈 수 없는 상태가 됩니다.