1. PN Junction (PN 접합)

0. 사전 지식

  반도체 내에서 전하는 다음 2개의 형태로 움직입니다. 

 ① Diffusion

 ② Drift 

 Diffusion 은 농도차에 의해 움직이는 것이고 (향수병을 열면 농도가 높은 향수병 안의 향수 입자들이 대기중으로 퍼져나가는 것과 같은 원리라고 생각하시면 됩니다.)

 Drift 는 전기장 같은 외부조건에 의해 움직이는 것을 말합니다.

반도체에서 흐르는 전류는 이 두 힘에 의한 전류의 합이라고 생각하시면 되겠습니다.

 

1. PN 접합

 

그림1. PN Junction

외부와 아무것도 연결되어있지 않은 PN Junction입니다.

N type 반도체는 자유전자의 농도가 P type보다 높습니다.

따라서 접합부 근처 N type의 자ㅠ전자는 N->P type으로 Diffuse하여 아래 그림2와 같이 됩니다.( 이를 Diffusion이라고 합니다.)

 

 

P type과 N type 반도체는 그 자체로는 원래 중성입니다.( ※접합 전 P type은 (+), N type은 (-)를 띄고있지 않습니다.)

하지만 확산 후에는 P-type은 자유전자와 결합하여 상대적으로 (-)를,

N type은 홀이 와서 자유전자가 사라져 상대적으로 (+)가 되어 접합부에 왼쪽으로 전기장이 형성이됩니다. 

 그리고 이 전기장에 의해 전자는 P->N type으로 힘을 받아 Drift합니다.

(이 때 Diffusion과 Drift에 의한 전자의 움직임이 서로 반대인 것을 알 수 있습니다.)

 

 전자가 Diffuse할 수록 전기장이 강해져 전자도 Drift를 많이 하게 됩니다.

따라서 전기장이 점점 커져 Static이 될 때 까지 전자는 Diffuse하게되고 아래 그림3과 같이 됩니다.

 

 

그림3. Equilibrium PN Junction

그림3은 Diffuse와 Drift가 평형이 되었을 때 PN Junction입니다. 이 때 가운데 접합부 부근의 영역을 Charge Carrier가 없는 Depletion Region(공핍영역)이라고 합니다.

 

2. Potential Barrier, Built-In Potential

이 부분은 간단하게 설명드리겠습니다.

그림3 접합부 근처에는 Charge Carrier가 없고 접합부 부근 N type에는 (+), P-type은 (-)를 띄게 됩니다. 즉 접합부 부근에서는 전위차가 발생하게 됩니다. 이 전위차를 Potential Barrier 혹은 Built-In Potential이라고 합니다.

 

3. Forward Bias

그림4. PN Junction with Forward Bias

이전과 달리 외부전압(Forward Bias)이 걸렸을 때의 PN Junction입니다.

빨간색 화살표는 Potential Barrier에 의한, 파란색 화살표는 외부 전압에 의한 Depletion Region내에서 전기장의 방향입니다.

 

 외부에서 Forward Bias가 걸리면 이 Potential Barrier가 감소합니다.

즉 Drift에 의한 자유전자가 이동할 수 있는 자유전자가 감소하게 됩니다. 반면 낮아지 Potential Barrier에 의해 Diffusion이 잘 일어나게 되어

N type -> P type으로 전자가 움직이게 됩니다.

 

전자가 이동하기 시작하면서 N type은 전자를 공급받아 Depletion Region의 폭이 점점 좁아지게 됩니다.(그림에는 따로 폭을 줄이지 않았습니다.)

P type도 마찬가지로 폭이 좁아지게 됩니다.

 

4. Reverse Bias

 

그림5. PN Junction with Reverse Bias

화살표 색과 방향은 Forward Bias에서 말한 것과 똑같습니다.

 

외부전압에 의해 P type의 홀과 N type의 전자를 밖으로 밀어내게 되고 Depletion Region이 더 커지게 됩니다.

즉 Potential Barrier가 증가하게 되었습니다. 증가한 Barrier에 의해 Diffusion Current도 잘 일어나지 않게 되어 전류가 흐르지 않게 됩니다.(완전히 0은 아닙니다)

 

5. 마무리

설명하기 쉽게 수식, 밴드 다이어 그램 등 복잡한 것은 빼고 굵직하게만 설명했습니다.

(실은 회로 쪽 제외하고는 안본지 오래되서 기억이 안나기도합니다.)

 

다음에는 BJT, MOSFET 포스팅  하겠습니다.

 

오류지적 같은 것도 환영합니다!