인문학적 반도체_2. N형 반도체 / P형 반도체
2장.반도체는 어떻게 움직이나?
N형 반도체 / P형 반도체
반도체는 진성반도체(instrinsic semiconductor) 와 불순물 반도체(impurity semiconductor)로 나눌 수 있고 불순물 반도체는 불순물의 종류에 따라 N형 반도체와 P형 반도체로 구분합니다. 진성 반도체는 앞에서 살펴 본 실리콘과 게르마늄의 한가지 원소의 단결정으로 만들어집니다.
순수 반도체인 진성 반도체(intrinsic semiconductor)는 원자핵에 결합되어 있는 전자가 움직일 수 없기 때문에 전류가 흐르지 않습니다.
진성 반도체에 특정 불순물을 첨가하여 전자(electron)나 정공(Hole)의 수를 증가시켜 전기전도도를 조절할 수 있는데, 이러한 반도체를 외인성 반도체(Extrinsic) 혹은 불순물 반도체라고 합니다.
4족 원소인 실리콘 단결정(순수 반도체)에 최외각 전자가 5개인 인(P), 비소(As) 등 5족 원소를 불순물로 첨가하면 실리콘 원자와 공유결합 후, 전자가 남는 상태, 즉 잉여전자가 생깁니다.
이 상태에서 실리콘 결정에 전압을 걸어주면 제자리를 못찾은 잉여전자는 자유전자가 되어 전류가 흐르는 것입니다.
5족 원소가 추가된 반도체는 전자가 전하를 나르는 캐리어(carrier)로 동작하기 떄문에 전자의 극성을 따서 N형, Negative 형 반도체라고 합니다.
[ N형 반도체의 격자 구조 ]
[ N형 반도체의 전류 흐름 _ 출처: 삼성반도체이야기 ]또한 5족의 불순물은 전자를 제공하는, 즉 donate 하는 역할을 하기 때문에 donor라고 부릅니다.
도너의 개수와 전자의 개수는 거의 같으므로 도너의 양이 많아지면 전자의 수도 늘어나게 되고 따라서 전류를 보다 쉽게 흘릴 수 있게 됩니다.
이와 같이 미량의 불순물 양에 따라 전류 전도도를 쉽게 바꿀 수 있는 것이 반도체의 가장 큰 장점입니다.
N-Type 반도체의 다수 캐리어(carrier)는 전자(electron), 소수 캐리어는 정공(hole)입니다.
이와 다르게 4족 원소인 실리콘 단결정(순수 반도체)에 최외각 전자가 3개인 붕소(B) 등 3족 원소를 불순물로 첨가하면 실리콘 원자와 모두 공유 결합 후, 전자가 비어있는 상태, 즉 정공(hole)이 생깁니다.
이 상태에서 실리콘 결정에 전압을 걸어주면 정공이 이동하면서 전류가 흐르는 것입니다.
이 경우 정공은 양 전하를 띠고 있는 것처럼 행동하기 때문에 이와 같은 반도체를 P형, Positive형 반도체라고 합니다.
[ P형 반도체의 격자 구조 ]
[ P형 반도체의 전류 흐름 _ 출처: 삼성반도체이야기 ]3족의 불순물은 전자를 받아들이는 accept 하는 역할을 하므로 accepter 라고 부릅니다.
규소 결정에 붕소원자를 많이 넣을 수록 정공이 많아져 전자의 흐름이 용이해집니다.
붕소 원자 1개에서 1개의 정공이 생기므로 붕소원자가 10개면 10개의 정공이 생기고 1000개면 1000개의 정공이 생기는 것입니다.
P-Type 반도체의 다수 캐리어(carrier)는 정공(hole), 소수 캐리어는 전자입니다.
PN 접합 다이오드
그럼 이 둘을 한번 붙여보면 어떤 일이 일어날까요?
최초의 반도체라 할수 있는 다이오드는 이렇게 해서 만들어졌습니다.
PN 접합 다이오드는 P-Type 반도체와 N-Type반도체를 붙여 놓은 것입니다.
이렇게 P-Type 반도체와 N-Type반도체가 붙은 경계면을 p-n접합(p-n junction)이라고 합니다.
이 두 반도체를 어떻게 붙였을까요? 풀로 붙였을까요? 아니면 납땜으로?
사실은 하나의 실리콘 조각에 한쪽은 p-type불순물을 다른 쪽은 N-Type불순물을 주입한 것입니다.
즉 붙인 것이 아니라 원래부터 붙어 있던 한 조각입니다.
앞에서 본 것처럼 P-Type 반도체에서는 정공이 다수 캐리어이고 전자가 소수 캐리어입니다.
반대로 N-Type반도체에서는 전자가 다수 캐리어이고 정공이 소수 캐리어입니다.
pn접합 소자에서 P쪽에 (+)극을, N쪽에 (-)극을 연결하는 것을 순방향 바이어스(foward bias)라고 합니다.
그러면 P-Type에 있는 소수캐리어인 전자와 N-Type의 다수캐리어인 전자가 다이오드의 +극 쪽으로 이동해 전지의 +극으로 들어갑니다.
한편 다이오드의 ( -)극 쪽에는 N-Type의 소수캐리어인 홀과 P-Type의 다수캐리어인 홀이 이동해 역시 전지의 (-)극으로 들어갑니다.
이는 자석에서 같은 극끼리는 서로 밀치고 다른 극끼리는 서로 끌어당기는 것과 같은 이치입니다.
앞서 설명하였지만 전자는 음전하이므로 전류의 방향이 전자의 흐름과 반대방향이고, 홀은 양전하라서 전류의 방향이 홀의 방향과 같습니다.
따라서 전자는 p-n접합을 넘어 다이오드의 +극쪽으로 이동하고, 홀은 반대로 -극으로 이동하니까 결국 다이오드의 +극에서 -극으로 전류가 흐릅니다.
[ 순방향 바이어스 ]순방향에서의 연결과 달리 P쪽(+)극에 -전압을, N쪽(-)극에 + 전압을 가하는 상태를 역방향 바이어스(reverse bias)가 걸렸다고 합니다.
이떄의 동작을 살펴보면 다이오드의 +극에서 보면 전지의 - 전압이 걸려 있으므로 p-type의 다수 캐리어인 홀이 몰려들고 다이오드의 -극에는 +전압이 걸렸으므로 n-type의 다수 캐리어인 전자가 몰려 들어 가운데는 전자든 홀이든 어떤 캐리어도 존재하지 않습니다.
이 공간을 공핍층(depletion layer)라고 합니다. 즉 다수 캐리어들이 p-n접합을 건너가지 않고 자기가 원래 있었던 쪽으로 몰려가고 p-n접합에는 아무런 캐리어들이 넘나들지 않습니다.
즉 전자와 홀이 p-n접합을 지나가지 않으므로 전류가 흐르지 못합니다. 그래서 다이오드에 역방향 전압이 걸렸을 때는 전류가 흐르지 않아 전기가 통하지 않습니다.
[ 역방향 바이어스 ]이렇게 P형 반도체와 N형 반도체를 접합하여 만든 것이 다이오드(Diode) 입니다.
다이오드는 전원장치에서 교류전류를 직류전류로 바꾸는 정류 용도, 라디오의 고주파에서 저주파 음성신호를 추출하는 검파용도, 전류의 ON/OFF를 제어하는 스위칭 용도, 빛을 발산하는 표시등이나 조명 용도등 매우 광범위하게 사용되고 있습니다.
