다이오드(diode), pn접합이란?

실리콘 블록의 절반은 3가 불순물로 도핑하고 나머지 절반은 5가 불순물로 도핑하면 결과적으로 n형과 p형 영역 사이에 pn접합이라고 하는 경계 영역이 형성된다. 이것이 기초적인 다이오드 구조이다. 다이오드(Diode)는 전류가 오직 한 방향으로만 흐르는 소자이다. pn 접합은 다이오드, 트랜지스터, 기타 다른 소자들의 동작을 가능하게 하는 특징을 지니고 있다.

p형 물질은 붕소와 같은 3가 불순물과 실리콘 원자들로 이루어지는데, 붕소 원자가 실리콘 원자와 결합될 때 정공이 만들어진다. 그러나 물질 내에서 전자의 수와 양자의 수가 같기 때문에 순전하 값은 0이 되고, 따라서 물질은 중성이 된다.

n형 실리콘 물질은 실리콘 원자와 안티몬과 같은 5족 불순물 원자로 이루어지고 불순물 원자가 네 개의 실리콘 원자와 결합하면 전자 한 개가 만들어진다. 여전히 물질내에서는 같은 수의 양자와 전자(자유전자 포함)가 존재하므로 물질의 순전하 값은 0이고, 따라서 물질은 중성이다.

만약 진성 실리콘의 절만은 n형, 나머지 절만은 p형으로 도핑시켰다면 두 영역 사이에는 pn접합(pn junction)이 형성된다. p영역은 불순물 원자로부터 생성된 많은 정공(다수 반송자)과 오직 열적으로 생성된 적은 수의 자유전자(소수 반송자)를 갖게 되고, n영역은 불순물 원자로부터 생성된 많은 자유전자(다수 반송자)와 열적으로 생성된 적은 수의 정공(소수 반송자)을 갖게 된다. 

▶ 공핍 영역의 형성

n영역에 있는 자유전자들은 불규칙적으로 모든 방향으로 움직인다. pn접합이 형성되는 순간 n영역의 접합 근처에 있던 일부 전자는 접합을 넘어 p영역으로 확산되고, 이들 전자는 접합 근처의 정공과 결합한다. 

pn접합이 형성되기 전에 n형 물질에는 양자와 같은 수의 많은 전자가 존재하고 따라서 순전하의 관점에서 보면 n형 물질의 극성은 중성이다. 이것은 p형 물질의 경우에도 동일하게 적용된다. pn접합 형성시 n영역의 전자들이 접합을 넘어 확산함으로 n영역은 자유전자들을 잃게 되어 접합 부근에 양전하(5가 이온)층을 만든다. 전자가 접합을 넘어 움직이므로 p영역에서 전자와 정공의 결합이 일어나고, 따라서 p영역은 정공을 잃게 된다. 따라서 p영역의 접합 부근에 음 전하(3가 이온)층이 형성된다. 이들 두 개의 양전하 층과 음전하 층이 공핍영역(depletionregion)을 형성한다. 전하 반송자(전자와 정공)가 접합을 가로질러 확산되므로 pn 접합 부근에서는 전하 반송자가 고갈된다는 사실에서 공핍이라는 용어가 사용된다. 공핍 영역은 매우 빨리 형성되고 n영역과 p영역의 두께에 비해 매우 얇다. 

처음에 pn접합을 가로질러 자유전자가 움직이면 공핍 영역은 평형(equilibrium)이 될 때까지 확장되며, 평형 상태에서 더 이상 전자가 접합을 가로질러 확산되지 않는다. 이것은 다음과 같은 순서로 발생한다. 전자가 접합을 가로질러 계속 확산될수록 접합 근처에는 점점 더 많은 양 전하와 음 전하가 발생하여 공핍 영역이 형성된다. 전자(음으로 대전된 입자)가 p영역으로 확산되는 것을 공핍층 내의 전체 음 전하가 막는 시점에 도달할 때 확산은 멈춘다. 바꿔 말하면, 공핍 영역은 장벽을 가로질러 전자가 흐르는 것을 막는 장벽의 역할을 하게 된다. 

▶ 장벽 전위

음 전하와 양 전하가 서로 인접하면 항상 쿨롱의 법칙에 의해 전하 간에 힘이 작용한다. 공핍 영역의 한쪽에는 많은 양 전하가 있고 pn 접합의 반대편 공핍 영역에는 많은 음 전하가 있다. 이 반대되는 전하 사이에 작용하는 힘은 '힘의 계(field of forces)'를 형성하는데 이를 전계(electric field)라고 한다. 이 전계는 n영역에 있는 자유전자에게는 장벽 역할을 하며, 전계를 가로질러 전자가 움직이기 위해서는 그 만큼의 에너지가 사용되어야만 한다는 것을 의미한다. 다시 말하면 공핍 영역의 전계에 대한 장벽을 넘어 전자들이 움직이기 위해서는 외부 에너지가 공급되어야 한다. 

pn 접합을 사이에 두고 공핍 영역 양쪽 전계의 전위차(potential difference)는 전자가 전계를 가로질러 움직이는데 필요로 되는 에너지 양과 같다. 이 전위차를 장벽 전위(barrier potential)라고 하며 voltage 단위로 나타낸다. 다르게 말하면, pn 접합을 가로질러 전자가 흐르기 위해서는 장벽 전위와 크기가 같고 극성이 반대인 전압을 pn 접합 양쪽에 가해야만 한다. pn 접합의 장벽 전위 크기는 반도체 물질의 종류, 도핑 양, 온도와 같은 여러 요인에 좌우된다. 보통 장벽 전위 크기는 25℃에서 실리콘의 경우 약 0.7V, 게르마늄의 경우 약 0.3V이다. 

▶ pn 접합의 에너지 다이어그램과 공핍 영역

n형 물질의 전도대와 가전도대는 p형 물질의 전도대와 가전자대보다 약간 낮은 에너지 준위를 갖는다. 이것은 5가 불순물 원자와 3가 불순물 원자의 원자 특성 차이 때문이다. n영역의 가전자대와 전도대는 p영역보다 낮은 에너지 준위에 있게 되며 따라서 상당부분의 에너지 준위가 겹친다.

에너지 관전에서 해석해보면 n영역에서 전도대의 높은 에너지 부분을 점유한 자유전자들이 접합을 넘어 쉽게 확산하며 (이들 전자는 추가적인 에너지를 필요로 하지 않음), 이들 전자는 p영역 전도대의 아주 낮은 에너지 부분에서 일시적으로 자유전자가 된다. 전자들은 접합을 넘은 후에 쉽게 에너지를 잃고 p영역의 가전자대에 있는 정공으로 떨어진다. 

확산이 계속됨에 따라 공핍 영역이 형성되기 시작하며 n형 영역 전도대의 에너지 준위는 감소한다. n형 영역 전도대의 에너지 준위의 감소는 높은 에너지를 가진 전자가 접합을 가로질러 p형 영역으로 확산되기 때문이다. 곧이어 n형 영역 전도대의 전자가 접합을 가로질러 p형 영역 전도대로 가게끔 충분한 에너지가 가해지면 n형 영역 전도대에는 전자가 한 개도 남아 있지 않게 된다. 이 때 접합은 평형 상태가 되면서 확산이 멈춰지기 때문에 공핍 영역이 완성된다. 공핍 영역 내에서 에너지가 기울기(경사)를 갖게 되고, 이 에너지 경사는 n형 영역의 전자가 p형 영역에 도달하기 위해 기어올라야만 하는 에너지 언덕(hill) 역할을 하게 된다. n형 영역 전도대의 에너지 준위가 낮아지면 똑같이 n형 영역 가전자대의 에너지 준위도 낮아진다. 이것은 가전자가 자유전자가 되기 위해서는 아직도 동일한 에너지를 얻어야 함을 의미하면 달리 말하면 가전자대와 전도대의 에너지 갭은 항상 일정함을 의한다. 

그럼 이만~~~

----- 참고 자료 -----

원자의 구조, 전자의 궤도(orbit), 전자각, 가전자 및 이온 이란 무엇인가?

도체, 반도체, 절연체의 특성 비교

n형 반도체와 p형 반도체란?