pn junction은 무엇입니까?

pn junction이란 P형 반도체와 N형 반도체를 결합시킨 것으로, 실제로는 p형 반도체와 n형 반도체를 따로 만들어 접합시키는 것이 아니라 이온 주입(Ion Implantation)의 방법으로 하나의 실리콘 반도체 결정에 한쪽에는 Al 등 3족 원소를 주입시키고 다른 쪽에는 P같은 5족 원소를 주입시킴으로써 쉽게 만들 수 있다. 그러면 그림 9과 같은 p-n 접합소자에서는 어떠한 일이 일어날까?

먼저 p형 반도체에는 빈자리(hole)가 많이 있고 n형 반도체에는 전자(electron)가 모여 있으므로, 확산 작용(diffusion)에 의하여 일부 빈자리는 n형 반도체 쪽으로, 일부 전자는 p형 반도체 쪽으로 움직일 것이다. 전자가 p형 반도체 쪽으로 움직이면 이 전자가 원래 속해있던 불순물(5족 원소) 이온을 남기게 되어, p형 반도체 쪽은 전자에 의하여 음전하로, n형 반도체 쪽은 이온에 의하여 양전하로 대전되게 된다. 빈자리의 확산이동도 같은 원리로 p형 반도체를 음전하로, n형 반도체를 양전하로 대전시킨다.

이렇게 되면 두 반도체 사이에 전위차가 생기게 되고(대전된 평행판 축전기를 생각하라), 이 전위차가 확산작용을 방해하게 된다. 확산이 정지되는 평형상태는 p형 반도체의 화학퍼텐셜(chemical potential: 하나의 전자를 추가할 때 필요한 평균 에너지. 절대온도 0K에서는 페르미 에너지가 된다)과 n형 반도체의 화학퍼텐셜이 같아질 때 이루어지고, 이때 p-n 접합에서의 전자에너지 띠 모양은 위의 그림에서의 (C)와 같이 된다. 전기퍼텐셜이 변하는 영역(그림의 (가)점과 (나)점 사이)을 depletion region이라고 하는데, 여기에는 불순물 이온들이 있으나 전자 혹은 빈자리는 없어서 전기장이 존재하고, 이것이 그림과 같은 전기퍼텐셜 계단(step)을 만든다. 통상 접합소자에서는 이 영역이 수십∼수백 Å 정도가 되는 것이 보통이다.

이러한 p-n접합소자에, 아래 그림(a)와 같이 p형 반도체에 건전지의 (+)극을 n형 반도체에 건전지의 (-)극을 연결시켜 외부 전압을 걸어 주었다고 하자. 이러한 외부전압방향을 순방향(forward bias)이라고 한다. 이때 건전지가 하는 일은 화학 퍼텐셜을 변화시키는 것이므로 depletion region의 전기퍼텐셜 계단의 크기가 작아져, 전자의 에너지 띠 모양이 그림에 표시한 바와 같이 될 것이다. 그러면 n형 반도체에 있던 전자에게는 전기퍼텐셜 계단이 낮아졌으므로 쉽게 p형 반도체 쪽으로 움직일 수 있게 되고, 마찬가지로 p형 반도체에 있던 빈자리도 쉽게 n형 반도체 쪽으로 움직이게 된다(빈자리의 에너지는 전자와 부호가 반대이다). 따라서 반도체를 통하여 전류가 p형에서 n형 영역 쪽으로 흐르게 된다.

반대로 아래 그림 (b)와 같이 건전지의 극을 바꾸어주면(역방향, reverse bias), 전기퍼텐셜의 계단은 평형상태일 때보다 더욱 높아져서 전류가 흐르지 못하게 된다(사실 이 때는 p형 반도체 영역에 있던 전자나 n형 반도체 영역에 있던 빈자리 때문에, 반대 방향으로 약간의 전류가 흐른다. 이러한 소수 전하운반자(minority carrier)에 의한 전류는 항상 존재하나, 평형상태나 순방향 바이어스(bias)일 때는 다수 전하운반자(majority carrier)에 의한 전류에 의하여 상쇄된다). 따라서 p-n접합 반도체에 어느 방향으로 전압을 걸어 주느냐에 따라서, 전류가 흐르거나 못 흐르거나 하는 정류작용을 하게 된다.