물리학 고2 빛과 물질

p-n 접합

p형·n형 반도체를 접합했을 때 공핍층이 형성되고 순방향·역방향 바이어스에 따라 전류 흐름이 달라짐을 이해한다.

p

형과

n

형 반도체를 맞붙였을 때 경계에 운반자가 없는 공핍층이 생기고, 걸어 주는 전압의 방향에 따라 전류가 잘 흐르거나 거의 흐르지 않게 되는 구조입니다.

한쪽으로만 열리는 문입니다. 순방향으로 밀면 열리지만, 반대로 밀면 오히려 더 꽉 닫힙니다. 다이오드·LED·태양전지·트랜지스터가 전부 이 문 하나에서 갈라져 나옵니다.

쉽게 말하면

에너지띠와 반도체에서 $n$ 형에는 자유 전자가, $p$ 형에는 정공이 많다는 것을 봤습니다. 두 반도체를 붙이면 무슨 일이 벌어질까요?

경계에서 전자와 정공의 농도 차이가 크므로, $n$ 쪽 전자가 $p$ 쪽으로, $p$ 쪽 정공이 $n$ 쪽으로 확산해 넘어갑니다. 넘어간 전자와 정공은 경계 부근에서 만나 재결합해 사라집니다. 그 결과 경계에는 움직일 수 있는 운반자가 거의 없는 얇은 층이 생기는데, 이것이 공핍층입니다.

그런데 확산은 무한정 계속되지 않습니다. 전자를 잃은 $n$ 쪽에는 (+)로 대전된 원자 이온이, 정공을 잃은 $p$ 쪽에는 (−)로 대전된 원자 이온이 남습니다. 이 이온들은 결정에 붙박여 움직이지 못하고, $n$ 에서 $p$ 방향으로 전기장을 만듭니다. 이 전기장이 뒤따라오는 전자와 정공을 되밀어내므로, 확산과 되밀림이 균형을 이루는 지점에서 공핍층은 성장을 멈춥니다. 이때 만들어진 전위의 벽을 전위 장벽이라고 합니다.

이제 바깥에서 전압을 걸어 이 장벽을 조절할 수 있습니다. 전원의 (+)극을 $p$ 형에, (−)극을 $n$ 형에 연결하면(순방향 바이어스) 같은 부호끼리 밀어내므로 정공과 전자가 접합 쪽으로 밀려 들어갑니다. 공핍층이 얇아지고 장벽이 낮아져 전류가 흐릅니다. 반대로 연결하면(역방향 바이어스) 운반자가 접합에서 멀어져 공핍층이 두꺼워지고 장벽은 더 높아집니다. 전류는 거의 흐르지 않습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

순방향 바이어스

$p$ 형에 (+), $n$ 형에 (−)를 연결합니다. 정공은 (+)극에 밀려 접합 쪽으로, 전자는 (−)극에 밀려 접합 쪽으로 몰립니다. 공핍층이 얇아지면서 전자와 정공이 계속 넘어가 재결합하고, 그만큼 전원이 새 운반자를 밀어 넣어 전류가 끊임없이 흐릅니다.
예시 2

역방향 바이어스

$p$ 형에 (−), $n$ 형에 (+)를 연결합니다. 정공은 (−)극 쪽으로, 전자는 (+)극 쪽으로 당겨져 둘 다 접합에서 멀어집니다. 운반자가 빠져나간 만큼 공핍층이 두꺼워지고 전위 장벽이 높아져, 전류가 사실상 흐르지 않습니다. 이 비대칭이 다이오드의 정류 작용을 만듭니다.
예시 3

역방향인데 빛을 쬐면 전류가 흐른다 — 태양전지

공핍층에 띠 간격보다 큰 에너지의 광자가 들어오면 전자-정공 쌍이 만들어집니다. 공핍층 안에는 이미 강한 전기장이 있으므로, 생겨난 전자는 $n$ 쪽으로 정공은 $p$ 쪽으로 곧바로 쓸려 갑니다. 빛이 전류를 만드는 것입니다. 같은 접합을 전기로 밀면 빛이 나오고(LED), 빛으로 때리면 전기가 나옵니다(태양전지).

순방향 바이어스와 역방향 바이어스

구분	순방향 바이어스	역방향 바이어스
전원 연결	$p$ 형에 (+), $n$ 형에 (−)	$p$ 형에 (−), $n$ 형에 (+)
운반자의 움직임	접합 쪽으로 밀려 들어감	접합에서 멀어짐
공핍층	얇아진다	두꺼워진다
전위 장벽	낮아진다	높아진다
전류	잘 흐른다	거의 흐르지 않는다

자주 하는 오해

순방향 연결 방향을 거꾸로 잡기

이렇게 생각하기 쉬움정공은 (+)의 성질을 띠니, 전원의 (−)극이

p

형을 끌어당겨 줘야 전류가 잘 흐른다

실제로는

p

형에 (+),

n

형에 (−)를 연결해야 순방향입니다.

운반자를 접합에서 '끌어내는' 것이 아니라 접합 쪽으로 '밀어 넣어야' 공핍층이 얇아집니다.

p

형에 (−)극을 연결하면 정공이 (−)극 쪽으로 끌려가 접합에서 멀어지고, 그 자리에 고정 이온만 남아 공핍층이 오히려 넓어집니다. 전류가 흐르려면 운반자가 접합을 '통과'해야 한다는 것을 기억하면 방향을 헷갈리지 않습니다.

확산이 계속되어 결국 전부 재결합해 버린다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움전자와 정공이 계속 넘어가 만나 사라질 테니, 공핍층은 소자 전체로 번질 것이다

실제로는공핍층은 아주 얇은 층에서 성장을 멈춥니다.

넘어간 운반자가 남기고 간 고정 이온들이 전기장을 만들고, 그 전기장이 뒤따라오는 운반자를 되밀어냅니다. 확산으로 넘어가려는 경향과 전기장이 되미는 힘이 균형을 이루는 순간 순 이동이 0이 되고, 거기서 멈춥니다. 이 균형을 놓치면 '왜 반도체가 그냥 다 타 버리지 않는가'가 설명되지 않습니다.