공핍 영역(Depletion region)이란 무엇입니까?

[공핍 영역(depletion region)]

하전(荷電) 캐리어의 하전 밀도가 불충분하기 때문에 도너와 억셉터의 유효 고정 하전 밀도의 중성화가 이루어지지 않는 영역. 다이오드형 반도체 방사 검출기에서는 이 공핍 영역이 그 소자의 고감도 영역이 된다.

P-N 접합은 현대 전자공학에서 유용하게 사용할 수 있는 성질을 가지고 있다. P형 반도체나 N형 반도체나 모두 전도율이 좋다. 하지만, 이 둘 사이의 접합면은 그렇지 않다. 이 전도율이 떨어지는 접합면을 공핍영역(depletion zone)이라고 하며, P형 반도체의 운반자인 정공과, N형 반도체의 운반자인 전자가 서로 끌어당겨서 재결합하면서 없어지기 때문에 생긴다. 이 전도율이 떨어지는 부분을 이용해서 다이오드를 만든다.

[공핍영역의 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 형성 시 n영역의 전자들이 접합을 넘어 확산함으로 n영역은 자유전자들을 잃게 되어 접합 부근에 양전하층을 만든다.

전자가 접합을 넘어 움직이므로 p영역에서 전자와 정공의 결합이 일어나고, 따라서 p영역은 정공을 잃게 된다. 따라서 p영역의 접합 부근에 음전하층이 형성된다. 이들 2개의 양전하층과 음전하층이 공핍영역을 형성한다. 전하 반송자가 접합을 가로질러 확산되므로 pn접합 부근에서는 전하 반송자가 고갈된다는 사실에서 공핍이라는 용어가 사용된다.

공핍영역이라는 것은 캐리어가 공핍되어 거의 사라졌음을 의미한다. 만약 공핍영역에 캐리어가 존재한다고 해도 이 영역이 전기장을 가지고 있으므로 그 극성에 따라 P영역이나 N영역으로 표동해 가게 될 것이다.

공핍영역이 만드는 전기장의 방향이 확산전류와 반대 방향의 표동 전류를 만들게 된다는 점은 중요하다. 즉, 전자는 아래 방향으로 가려고 하는데 공핍 영역의 전위차는 N영역의 자유 전자가 전도 밴드에서 P영역으로 가는 것을 막는 방향이다. 반대로 전공은 위쪽으로 가려는 표동 특성을 갖는데 기저 대역의 전위차 방향은 확산전류와 반대이다.

그렇기 때문에 공핍영역은 무한히 확대되지는 않는다. 공핍영역은 확산에 의한 전류와 표동에 의한 전류가 서로 같은 양이 될 때까지만 확장되고 평형을 이루게 된다.