PN 접합이란 무엇인가?

PN 접합이란?

PN 접합의 정의

PN 접합은 단일 결정체에서 p형과 n형 반도체 재료 사이의 경계를 말합니다.

PN 접합 만들기

이제 이 PN 접합이 어떻게 만들어지는지 살펴보겠습니다. p형 반도체에는 많은 양의 구멍이 있고, n형 반도체에는 많은 자유 전자가 있습니다.

또한 p형 반도체에는 삼가성 불순물 원자들이 많이 있으며, 이상적으로는 p형 반도체의 각 구멍이 하나의 삼가성 불순물 원자와 연결되어 있습니다.

여기서 '이상적'이라는 단어를 사용하는 이유는 결정 내에서 열적으로 생성된 전자와 구멍을 무시하기 때문입니다. 전자가 구멍을 채우면, 그 구멍과 연결된 불순물 원자는 음이온이 됩니다.

왜냐하면 이제는 추가적인 전자를 포함하고 있기 때문입니다. 삼가성 불순물 원자가 전자를 수용하고 음전하를 가지게 되므로, 이러한 불순물을 수용 불순물이라고 합니다. 불순물 원자는 결정 내에서 같은 수의 반도체 원자를 대체하고 결정 구조에 위치합니다.

따라서, 불순물 원자들은 결정 구조 내에서 고정되어 있습니다. 이러한 삼가성 불순물 원자가 자유 전자를 수용하고 음이온이 되더라도, 이들 이온은 여전히 고정되어 있습니다. 마찬가지로, 반도체 결정에 오가성 불순물을 도핑하면, 각 불순물 원자가 결정 구조 내의 반도체 원자를 대체하여, 이러한 불순물 원자들도 결정 구조 내에서 고정됩니다.

결정 구조 내의 각 오가성 불순물 원자는 가장 바깥쪽 궤도에 한 개의 추가적인 전자를 가지고 있으며, 이를 쉽게 자유 전자로 제거할 수 있습니다. 이러한 전자를 제거하면 양이온이 됩니다.

오가성 불순물 원자가 반도체 결정에 전자를 기부하므로, 이러한 불순물을 기부 불순물이라고 합니다. 우리는 PN 접합 형성에 핵심적인 역할을 하는 고정된 수용 및 기부 불순물 원자에 대해 논의합니다.

p형 반도체가 n형 반도체와 접촉할 때, n형 반도체의 접합 부근에 있는 자유 전자들이 확산 때문에 먼저 p형 반도체로 이동합니다. 이는 n형 영역에서의 자유 전자의 농도가 p형 영역보다 훨씬 높기 때문입니다.

이동한 전자들은 처음 발견한 구멍들과 결합합니다. 즉, n형 영역에서 온 자유 전자들은 접합 부근의 수용 불순물 원자들과 결합하여 음이온을 만듭니다.

접합 부근의 p형 영역에서 수용 불순물 원자들이 음이온이 되면, 접합 인접한 p형 영역에 음전하의 정적 이온층이 형성됩니다.

n형 영역의 자유 전자들은 접합 부근의 n형 영역에서 멀리 떨어진 자유 전자들보다 먼저 p형 영역으로 이동합니다. 이로 인해 접합 인접한 n형 영역에 양전하의 정적 이온층이 형성됩니다.

n형 영역의 충분히 두꺼운 양이온층과 p형 영역의 음이온층이 형성되면, n형 영역에서 p형 영역으로의 전자 확산은 더 이상 일어나지 않습니다. 이는 자유 전자 앞에 음전하 벽이 있기 때문입니다. 이러한 두 이온층이 PN 접합을 형성합니다.

한 층이 음전하이고 다른 층이 양전하이므로, 접합을 가로질러 전기 포텐셜이 형성되며, 이는 포텐셜 장벽 역할을 합니다. 이 장벽 포텐셜은 반도체 재료, 도핑 수준, 그리고 온도에 따라 달라집니다.

게르마늄 반도체의 경우 25°C에서 장벽 포텐셜이 0.3V이며, 실리콘 반도체의 경우 동일한 온도에서 0.7V입니다.

이 포텐셜 장벽은 모든 자유 전자가 구멍과 결합했기 때문에 어떠한 자유 전자나 구멍도 포함하지 않습니다. 따라서 이 영역에서는 전하 운반체(전자 또는 구멍)가 고갈되어 소진 영역이라고도 합니다. 실제로 특정 두께의 소진층이 형성된 후 자유 전자와 구멍의 확산이 중단되지만, 이 소진층의 두께는 매우 작아 미크로미터 범위입니다.