오픈회로 상태에서의 PN접합

안녕하세요.

균짱짱입니다.

 

본격적으로 정바이어스, 역바이어스 상태에서의

PN접합 동작을 알아보기 전에,

오픈회로 상태에서의 PN접합을 알아볼게요.

 

다시 말해서, 전류가 흐르지 않는 상태에서의

PN접합의 동작이에요.

 

목차

1. PN접합(PN junction) 2. 공핍영역(Depletion region, Space charge region) 3. 전위장벽(Potential barrier = Junction voltage = Built in voltage) 4. 정공에 대한 전위 장벽의 크기 5. PN 접합의 활용

 

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1. PN접합(PN junction)

PN접합이란 용어 자체는 어렵지 않아요.

P형 반도체와 N형 반도체를 붙여놓은 겁니다.

PN접합 : P형 반도체와 N형 반도체의 접합

그렇다면, P형 반도체와 N형 반도체를 붙이면 어떻게 되는 걸까요?

 

 

 

2. 공핍영역(Depletion region, Space charge region)

A. 접합 전

접합 전

P형 반도체의 다수캐리어(Majority carrier)는 정공(Hole)이구요,

N형 반도체의 다수캐리어는 전자(Electron)에요.

 

P형 반도체는 전자의 밀도가 낮은 상태이고

N형 반도체는 전자의 밀도가 높은 상태이죠.

 

 

 

 

b. 접합 : 전자와 정공의 확산(Diffusion)

이 상태에서 P형 반도체와 N형 반도체가 접합되면

두 반도체의 전자밀도가 같아지려는 현상을 보입니다.

P형반도체의 정공은 N형 반도체로,

N형 반도체의 전자가 P형 반도체로 확산하고

 

여기서 P형 반도체에 있는 정공을 'Acceptor'라고 하구요,

N형 반도체에 잇는 전자를 'Donation'라고 합니다.

 

실제로, 정공이 움직이지는 않습니다.

N형 반도체의 전자가 P형 반도체로 움직이면서

N형 반도체에 정공이 발생하고

P형 반도체에 있는 정공은 전자로 채워지면서

P형 반도체의 정공은 줄어듭니다.

따라서, P형 반도체에 있는 정공이 N형 반도체를 움직이는 것처럼 보입니다.

 

이때, 전자의 이동으로 인해 확산 전류가 발생합니다.

 

 

c. 전기력 발생 : 확산하는 힘과 전기력의 평형

 

전자와 정공이 이동하면서 접합면이 전하를 띠게 되고, 따라서 전기력이 발생합니다.

전기력과 확산하려는 힘이 같아지는 시점까지

전자와 정공은 계속해서 이동하고

두 힘이 평형을 이루었을 때, 전자와 정공은 더 이상 이동하지 않는 것처럼 보입니다.

 

 

 

d. 확산된 전자와 정공의 재결합 : 공핍영역 형성

전자와 정공의 재겹합 : 공핍영역 형성

전자와 정공이 확산하는 과정에서 전자와 정공이 재결합 합니다.

전기적으로 중성인 영역이 생기는거죠.

 

다시 말해서, 전류를 흐르게 하는 캐리어(Carrier)가 없는 영역이 발생합니다.

이 영역을, 캐리어가 없기 때문에, 공핍영역(Depletion region)이라고 부릅니다.

또는, 공간전하만 존재한다는 의미로 Space Charge Region(SCR)이라고 부르기도 합니다.

 

참고로, P형 반도체에서는 양전하에 전자가 채워지고

N형 반도체에는 음전하에 전자가 빠져나가므로,

전하가 존재하던 자리에 빈 공간만 남아있다는 의미에서 공간전하라고 합니다.

 

 

 

3. 전위장벽(Potential barrier = Junction voltage = Built in voltage)

평형상태에서 Potential energy

P형 반도체에서 전자와 정공이 결합하면,

해당 영역은 음전하를 띠게 됩니다.

 

마찬가지로, N형 반도체에서 전자가 빠져나가면

해당 영역은 양전하를 띠게 되죠.

 

결과적으로, P형 반도체와 N형 반도체의 접합면이 각각 음전하, 양전하를 띠게 되고

따라서, N형 반도체에서 P형 반도체 방향으로 전기장(E-field)이 형성됩니다.

 

접합면에 생긴 음전하, 양전하에 의해 에너지(Potential) 차이 즉, 전압(Voltage)차이가 발생합니다.

 

이 차이가 공필영역을 일정한 영역으로 제한하는 요소,

P형 반도체에서 N형 반도체로

또는 N형 반도체에서 P형 반도체로 전자가 이동할 수 없게 만드는 전위장벽(Potential barrier)입니다.

 

 

4. 정공에 대한 전위 장벽의 크기

 

위의 수식은 정공에 대한 전위장벽의 크기입니다.

 

 

 

5. PN 접합의 활용

P-N 접합이 된 반도체가 다이오드이고,

P-N-P 또는 N-P-N접합을 하면 트랜지스터가 됩니다.

 

 

추가적으로 더 자세한 내용은 다음시간에 알아볼게요.