안녕하세요, 송송입니다. 이번 시간에는 이어서 Extrinsic semiconductor 중 P-type 반도체와 N-type 반도체에 대해 같이 알아보도록 하겠습니다.
▶ P-type semiconductor
- 3가 원자 불순물 주입 (알루미늄 Al, 붕소 B, 갈륨 Ga) → Acceptor 원자들
- 3개의 최외각전자를 가지는 3가 원자는 주위에 있는 다른 4개 Si 원자와 최외각전자를 공유하여 결합하지만 화학적으로
안정된 공유결합(최외각 전자 8개 전자로 구성)은 아님.
- 부족한 전자의 자리는 정공(hole)이라 하며, Carrier 역할을 하게 됨
정리 !!
P-type 에서 다수 Carrier : hole / 소수 Carrier : electron
*아래 그림을 보시면 실리콘과 붕소가 서로의 최외각 전자를 공유하고 있지만, 8개가 다 채워지지 않았죠?
한곳이 빕니다. hole이 생긴것이죠. 이제 이 hole에 다른 자유전자가 쏙! 하고 들어오게 되는 것입니다.
▶ N-type semiconductor
- 5가 원자 불순물 주입 (비소 As, 인 P, 안티몬 Sb) → Donor 원자들
- 5개의 최외각 전자를 가지는 5가 원자들은 주위에 다른 4개 Si 원자와 최외각전자를 공유하여 결합하지만, 화학적으로 안정된 공유결합을 위해서는 결합에 참여하지 않는 1개의 전자가 남게 되며, 이 전자가 Carrier 역할을 하게 됩니다.
N-type에서는 다수 Carrier : Electron / 소수 Carrier : Hole
* 아래 그림을 보면 실리콘과 인이 서로 최외각 전자를 공유하지만 8개를 넘어버리고 1개가 남아있죠? 이 남은 자유전자가 휙! 하고 빠르게 어디로 도망가버리는 겁니다.
이 P형과 N형 따로따로 사용할 수 있지만, 얘네들을 합친 PN접합의 형태도 한번 알아보겠습니다.
▶ PN Junction (PN접합)
- PN 접합은 3가 불순물이 dopping된 P형 반도체와 5가 불순물이 dopping된 N형 반도체가 서로 접합된 형태입니다.
- P형 반도체 영역에는 정공의 농도가 전자보다 매우 크고, N형 반도체 영역에서는 전자의 농도가 정공보다 매우 큽니다.
- P형 영역에 연결된 전극을 Anode(+), N형 영역에 연결된 전극을 Cathode(-)라고 하며, 전원이 인가되면 전류는
(+) → (-) 로 흐릅니다. (원래 전류는 양극에서 음극으로 흐르게 됩니다)
PN접합에서는 어떤 현상이 일어나고 있을까요?
P형과 N형 두 반도체가 만나면 접합면 부근의 정공(P형 반도체 다수 Carrier)과 전자(N형 반도체 다수 Carrier)가 서로 끌려오면서 만나게 됩니다. → 전자와 정공의 재결합이죠.
전자와 정공이 재결합한 자리에는 음이온(P형 반도체)과 양이온(N형 반도채)만 남게 됩니다.
다수 Carrier의 재결합으로 소멸한 접합면 부근의 영역을 공핍층(Depletion region)이라고 부릅니다.
Carrier가 없어진 반면, (+, -) 이온에 의해 전위 장벽(Potential Barrier)가 생기기 시작하는데요, 이곳에서 생긴 전위장벽을 접촉 전위차(Cotanct Potential)이라고 하며, 전자와 정공의 이동은 접촉 전위차에 의해 억제됩니다.
실리콘으로 만든 반도체의 전위장벽은 약 0.6 ~ 0.7 V이고, Ge로 만든 반도체는 약 0.2 V정도로 전자와 정공이 공핍층을 없앨 수 있습니다.
▶ Forward Bias(순방향 바이어스) vs Reverse Bias(역방향 바이어스)
- PN접합에서 P형쪽과 N형쪽에 각각 (+)과 (-)를 인가헸을때 서로 다른 현상이 일어나게 됩니다.
먼저 왼쪽 그림을 보시면, P-type에 (+)극을 연결했습니다. P-type은 정공(Hole)이 다수 Carrier죠? 그렇기 때문에 이곳에 (+)를 인가하면 척력이 발생하여 오른쪽으로 이동할 것입니다. 반면, N-Type에 (-)를 연결하면 마찬가지로 척력에 의해 왼쪽으로 이동하겠죠. 그렇다면? 전자와 정공이 자꾸 왼쪽으로 이동하게 되니 공핍층 영역이 좁아지게 됩니다.
오른쪽 그림은 P-type에 (-)극을 연결하였습니다. 그럼 인력이 발생하여 왼쪽으로 붙을것이고, N-type에서는 오른쪽으로 붙을 것입니다. 그러면 공핍층은 더욱 넓어지게 되겠죠.
Forwar Bias를 점점 크게 하면 Depletion Region이 감소하여 Potential Barrier가 줄어들고, Depletion Region이 사라지면 전류가 한 순간에 통하게 됩니다
Reverse Bias를 점점 크게 하면 Depletion Region이 증가하여 Potential Barrier가 커지고, 전류는 거의 흐르지 않다가 어느 임계점에 다다르게 되면 junction이 파괴되어 전류가 급증하게 됩니다.
이떄의 전압을 항복전압 Breakdown voltage라고 합니다.
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오늘은 PN접합에 대해 같이 배워봤는데요, 어떠신가요? 반도체.. 재밌나요? 뭐 나름 이해해보면 재밌는 부분이 있긴 합니다.
다음 시간에는 유전체와 절연체에 관해 설명드리도록 하겠습니다.
고생하셨습니다.!