PN 접합형 반도체

1. PN 접합형 반도체

 

P와 N형의 반도체를 접합하였을 때 서로 접합된 좁은 부분에서는 N형 측의 전자와 P형 측의 정공이 서로 결합하여 캐리어가 존재하지 않는 결핍층이라 불리는 중립지대를 형성한다. 이렇게 접합된 반도체를 PN 접합 반도체라 한다. P형 반도체와 N형 반도체를 접합하면 P형 반도체와 N형 반도체가 접합되어 있는 부근에는 서로 간에 흡인력으로 인해 정공과 전자는 서로 상대 영역으로 확산이 일어나게 된다. 접합부에서 P영역의 정공이 떠난 3족 원자는 음이온이 되고, N영역의 전자가 떠난 5족은 양이온이 되게 된다. 이런 이온들은 원자 자체가 전기를 띤 것이므로 움직일 수 없다. 즉 정공과 전자의 확산으로 움직이지 않는 이온들을 만들게 되며 이 영역은 정공과 전자가 존재하지 않는 결핍층을 형성하고 전기장이 형성된다. 이런 전기장에 의한 전위차 때문에 P영역의 정공과 N영역의 전자는 서로 상대 영역으로 들어갈 수 없게 된다. 이 전위차를 전위 장벽이라 하며 실리콘의 경우 0.7 [V], 게르마늄의 경우 0.3 [V]가 되며 다이오드를 통과한 전류는 전위 장벽만큼 낮아진 전압이 된다. 이를 순방향 전압강하라고 한다. 외부에서 전위 장벽보다 높은 전압을 인가하면 전위 장벽을 허물 수 있으며 이때는 정공과 전자가 쉽게 이동할 수 있는 도체가 되게 된다. P형과 N형의 접합을 좀 더 구체적으로 살펴보면 게르마늄이나 실리콘의 결정을 만들 때 도너나 억셉터를 홉합함으로써 결정의 일부분을 P형과 N형의 영역으로 할 수 있는데 이와 같이 P형과 N형의 영역이 접합한 상태를 PN 접합이라 한다. PN이 접합이 되면 접합면 근처의 영역에서 정공은 P형에서 N형으로, 자유 전자는 N형에서 P형으로 확산되어 이동할 수 있는 운반자의 농도가 양쪽의 결정으로 균형을 유지하도록 되어 있다. 따라서 P형과 N형의 접합부에서는 자유 전자와 정공이 부족한 결핍층이 발생한다. 결핍층은 자유 전자와 정공의 이동을 저지하므로 P형 영역과 N형 역역의 운반자는 균형을 이룬 상태가 된다. 그리고 전계가 발생한 결핍층에는 전위 구배가 있어 운반자가 결핍층을 통과하려면 이 전위 구배를 올라갈 필요가 있다. 따라서 전위 구배는 운반자의 이동을 방해하게 되므로 PN 접합에 전류를 흐르게 하려면 전위 장벽을 올라갈 수 있는 만큼의 에너지를 외부에서 가하여야 한다. 이와 같이 PN 접합을 사용하는 이유는 전위 장벽을 만들어 놓고 외부에서 가하는 에너지를 주입하여 운반자 수를 조절하기 때문이다. 이때 어느 정도 이상의 역전압이 걸리게 되면 갑자기 전류가 흘러 버리는 현상이 생기는데 이때의 전압을 항복 전압이라고 한다. 이 현상은 Avalanche와 Zener effect의 두 가지 종류가 있다. Avalanche현상은 전압이 증가하면 다이오드 내부의 전자가 전압을 이기지 못하고 처음 한 개의 전자가 튀어나가면서 다른 전자도 함께 튕겨내게 된다. 이러한 현상이 기하급수적으로 늘어나게 되는데 마치 눈사태와 같다고 하여 Avalanche 현상이라고 한다. 이는 보통 수백V의 전압이 걸릴 때 일어나며 일시적인 형상이라 전압을 낮추게 되면 원래의 상태로 돌아가게 된다. Zener effect는 PN 접합의 역방향으로 전압을 걸게 되면 미세한 전류가 흐르게 되는데 이 전압을 높여 가면 P형 반도체에 있는 전자가 절연 영역의 미세한 구멍을 통과해 N형 반도체 쪽으로 이동하는 양자역학적 터널 효과가 발생한다. 이때 전압을 더욱 높이면 터널도 더욱 넓어지게 되어 전류는 증가하게 되나 전압은 증가하지 않는다. 즉 역방향에 걸리는 전압이 일정하게 되게 되는데, 다이오드 중에서 Zener Diode는 이와 같은 현상을 이용하여 정전압을 만들어내는 소자이다.

 

 

2. 반도체의 장점 및 단점

 

장점 : 극히 소형이며 가볍다. 내부 전력의 손실이 매우 적다. 예열 시간을 요구하지 않고 곧 작동을 한다. 기계적으로 강하고 수명이 길다.

 

단점 : 온도가 상승하면 특성이 매우 불량해진다. 역내압이 낮다. 정격 값 이상되면 파괴되기 쉽다.

 

 

3. 다이오드의 성질

 

다이오드는 가하는 전압의 전극에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 못하게 되는데 전류가 흐르는 상태를 순방향 전류(ON), 흐르지 못하는 상태를 역방향 전류(OFF)라고 한다. 이 작용을 정류 작용이라고 한다. 정류용 다이오드는 전압의 한쪽 방향에 대해서는 낮은 저항을 되어 전류를 흐르도록 하고, 반대방향으로는 높은 저항으로 되어 전류의 흐름을 저지하는 성질을 이용하는 것이다. 즉,순방향의 특성은 정격전류를 얻기 위한 전압은 약 1.0 ~ 1.25 [V] 정도이나 역방향의 특성은 그 전압을 어떤 값까지 점차 상승시키더라도 적은 전류밖에는 흐르지 못한다. 그러나 어떤 값에 도달하면 전류의 흐름이 급격히 증가한다. 급격히 큰 전류가 흐르기 시작할 때를 항복 전압 또는 역 내압이라고 한다. 다이오드를 사용할 때에는 순방향으로는 정격전류, 역방향으로는 역 내압 등에 주의하여야 한다.