전류를 한쪽으로만 흐르게 만드는 방법은?

pn 접합을 만들면 된다

우리가 물을 관을 따라 한쪽으로 흘려보내고 싶을 때 어떻게 해야 할까? 가장 손쉬운 것은 관을 기울이는 것일 것이다. 이렇게 관을 기울이면 물이 위치 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 물이 흐르게 된다. 만약 관이 고정되어 있다면 어떻게 해야 할까? 이럴 때는 한쪽에 압력을 가해야 할 것이다. 미국에서 시골 지역을 돌아다니다 보면 급수탑을 종종 보게 되는데, 급수탑은 높은 곳에 있는 물들이 아래에 있는 물에 압력(수압)을 가해 물이 수도관을 따라 흐를 수 있게 해 준다.

(좌) 기울어진 수도관 (우) 급수탑에 의한 수압

앞서 반도체에 전기장을 가하면 전류가 흐를 수 있음을 살펴보았다. 이 방법은 수도관을 기울이는 것과 유사하다. 수도관에서는 위치 에너지를 조절했지만, 반도체에서는 전기적 위치 에너지를 조절한 것이다. 그런데 만약 우리가 전류를 한쪽으로만 흘러 보내고 싶다면 어떻게 해야 할까? 전기장의 방향을 바꿔도 반대 방향으로는 흘러가지 못하게 말이다. 한 가지 방법은 이전에 살펴봤던 pn 접합을 만드는 것이다. pn접합을 만들면 전기장을 걸더라도 방향에 따라서 전기가 흐를 수도 있고, 아닐 수도 있다.

우리가 pn 접합을 만들었다고 해보자. 평형 상태에 도달하게 되면 전자의 분포는 더 이상 바뀌지 않게 된다. 국소적으로 변화가 있을 수 있지만, 크게 봤을 때 시간의 흐름에 따라 바뀌지 않는다는 이야기다. 그렇다는 것은 전자의 입장에서 에너지가 어딜 가나 같다는 의미로 이해할 수 있을 것이다. 마치 잔잔한 호수처럼 수위가 같은 것이다. 반도체에서 전자의 수위는 페르미 에너지(Fermi energy)라는 개념으로 설명된다. 제대로 이해하려면 페르미-디락 분포(Fermi-Dirac distribution)라는 개념이 필요하므로 여기서는 넘어가도록 하자. 여기서는 n형 반도체에서는 페르미 에너지가 전도대 최소(conduction band minium, CBM)에 가깝고, p형 반도체에서는 페르미 에너지가 가전자대 최대(valence band maximum, VBM)에 가깝다는 것을 알면 충분하다. 앞서 pn 접합에서 전자의 에너지가 어딜가나 같다고 했으므로, 전자의 페르미 에너지가 pn 접합에서 바뀌지 않아야 할 것이다.

pn 접합(pn junction)에서 띠 구조(band structure). VBM과 CBM, 페르미 에너지만을 그렸다.

이제 p형 반도체에 양극을 붙이고, n형 반도체에 음극을 붙이자. 전기장은 양극에서 음극 방향이므로 전기장을 p형 반도체에서 n형 반도체로 걸어주는 셈이다. 위의 그림에서는 왼쪽에서 오른쪽 방향이다. 이렇게 되면 전자는 오른쪽에서 왼쪽으로 힘을 받게 되는데, 즉, n형 반도체 쪽에서 p형 반도체 쪽으로 쉽게 넘어갈 수 있게 된다. 이렇게 전자가 양극 쪽으로 빠져나감으로써 전류가 흐르게 된다. 수식들을 조금 이용하면 공핍층의 두께가 줄어들고, 띠가 구부러진 정도(band bending)가 줄어드는 것을 보일 수 있다. 이런 상황을 순방향 바이어스(forward bias)라고 부른다.

순방향 바이어스가 걸렸을 때 띠의 굽휨(band bending)

순방향이 있으면 역방향도 있을 것이다. 역방향 바이어스(reverse bias)는 반대로 p형 반도체에 음극을 붙이고, n형 반도체에 양극을 붙이면 된다. 이렇게 되면 전기장은 오른쪽에서 왼쪽이 되고, 전자는 왼쪽에서 오른쪽으로 힘을 받는다. 따라서 전자가 n형 반도체에 더 머물게 되어 전류가 흐를 수 없다. 순방향의 경우와 반대로 공핍층의 두께가 증가하고, 띠가 더 구부러지게 된다.

역방향 바이어스가 걸렸을 때 띠의 굽휨(band bending)

pn 접합에서 우리가 p형 반도체 쪽에 가해준 전압과 전류를 그래프로 나타내면 아래와 같이 나오게 된다.

순방향의 경우 전압이 지수적으로 증가한다. 역방향의 경우 전류가 거의 흐르지 않는다.