PN 접합 이론

PN 접합 이론

N형 물질과 P형 물질이 융합되어 반도체 다이오드를 형성하면 PN 접합이 형성됩니다.

PN 접합 이론에 대한 이 튜토리얼에서는 실리콘에 소량의 안티몬을 도핑하면 N형 반도체 재료가 형성되고, 동일한 실리콘 재료에 소량의 붕소를 도핑하면 P형 반도체 재료가 형성된다는 것을 보여줍니다.

이것은 모두 훌륭하지만 새로 도핑된 N형 및 P형 반도체 재료는 전기적으로 중성이므로 자체적으로는 거의 기능하지 않습니다. 그러나 이 두 반도체 재료를 함께 결합(또는 융합)하면 서로 병합하여 일반적으로 "PN 접합"으로 알려진 것을 생성하므로 매우 다른 방식으로 동작하여 PN 접합 이론의 효과를 연구할 수 있습니다.

N형 반도체와 P형 반도체 재료가 처음 결합되면 PN 접합의 양쪽 사이에 매우 큰 밀도 구배가 존재합니다. 그 결과, 도너 불순물 원자의 자유 전자 중 일부가 새로 형성된 접합을 통해 이동하여 음이온을 생성하는 P형 물질의 정공을 채우기 시작합니다.

그러나 전자가 N형 실리콘에서 P형 실리콘으로 PN 접합을 가로질러 이동했기 때문에 음극 측에 양으로 하전된 도너 이온( ND ) 을 남기고   이제 억셉터 불순물의 정공이 N형 실리콘을 가로질러 이동합니다. 많은 수의 자유 전자가 있는 영역과 반대 방향으로 접합됩니다.

 

결과적으로 접합을 따라 P형의 전하 밀도는 음으로 하전된 수용체 이온(  NA ) 으로 채워지고  , 접합을 따라 N형의 전하 밀도는 양이 됩니다. PN 접합을 통한 전자와 정공의 전하 이동을 확산 이라고 합니다 . 이러한 P 및 N 층의 폭은 각 측면이 각각 억셉터 밀도 N A 및 도너 밀도 N D 로 도핑된 정도에 따라 달라집니다 .

이 과정은 접합을 통과한 전자의 수가 접합을 통과하는 전하 캐리어를 밀어내거나 방지할 만큼 충분히 큰 전하를 가질 때까지 앞뒤로 계속됩니다. 결국 공여 원자가 정공을 밀어내고 수용체 원자가 전자를 밀어냄에 따라 접합 영역 주변에 "잠재적 장벽" 영역이 생성되는 평형 상태(전기적으로 중성 상황)가 발생합니다.

전위 장벽이 있는 위치에는 자유 전하 캐리어가 정지할 수 없기 때문에 접합에서 더 멀리 떨어진 N 및 P 유형 재료에 비해 접합 양쪽의 영역은 이제 더 이상 자유 캐리어가 완전히 고갈됩니다. PN 접합 주변의 이 영역을 이제 공핍층 이라고 합니다 .

PN 접합

PN 접합 양쪽의 총 전하는 접합 주변의 중성 충전 상태를 유지하기 위해 동일하고 반대여야 합니다. 공핍층 영역의 거리 D가 있는 경우, 따라서 양극 측의 경우 Dp 거리만큼 실리콘에 침투해야 하고 음극 측의 경우 Dn 거리 만큼 실리콘에 침투해야 하며 두 가지 사이의 관계는 다음과 같습니다.   Dp*N A  = Dn*N D   전하 중립성을 유지하기 위해 평형이라고도 합니다.

공핍층 거리

N형 물질은 전자를 잃고, P형은 정공을 잃기 때문에 N형 물질은 P형에 비해 양극이 된다. 그런 다음 접합의 양쪽에 불순물 이온이 존재하면 N 측이 P 측에 비해 양의 전압을 갖는 이 영역 전체에 전기장이 형성됩니다. 이제 문제는 자유 전하가 공핍 영역 접합을 통과할 수 있도록 현재 존재하는 장벽을 극복하기 위해 약간의 추가 에너지가 필요하다는 것입니다.

확산 과정에 의해 생성된 이 전기장은 다음과 같은 개방 회로(제로 바이어스) 전위를 갖는 접합 전체에 "내재된 전위차"를 생성했습니다.

여기서: E o 는 제로 바이어스 접합 전압, V T는 실온에서 26mV의 열 전압, N D 및 N A 는 불순물 농도이고 ni 는 고유 농도입니다.

PN 접합의 두 끝 사이에 적절한 양의 전압(순방향 바이어스)을 가하면 자유 전자와 정공에 추가 에너지를 공급할 수 있습니다. 현재 존재하는 이러한 전위 장벽을 극복하는 데 필요한 외부 전압은 사용되는 반도체 재료의 유형과 실제 온도에 따라 크게 달라집니다.

일반적으로 실온에서 공핍층의 전압은 실리콘의 경우 약 0.6~0.7V이고 게르마늄의 경우 약 0.3~0.35V입니다. 다이오드에서 볼 수 있듯이 이 전위 장벽은 장치가 외부 전원에 연결되지 않은 경우에도 항상 존재합니다.

 

접합을 가로지르는 내장된 전위의 중요성은 접합을 가로지르는 정공과 전자의 흐름을 모두 방해한다는 점이며 이것이 전위 장벽이라고 불리는 이유입니다. 실제로 PN 접합은 단순히 두 개의 개별 조각을 결합하거나 융합하는 것이 아니라 단결정 재료 내에 형성됩니다.

이 과정의 결과로 PN 접합은 정류 전류-전압(IV 또는 I-V) 특성을 갖게 됩니다. 전기 접점은 외부 회로에 대한 전기적 연결을 가능하게 하기 위해 반도체의 양쪽에 융합되어 있습니다. 이렇게 만들어진 전자 장치는 일반적으로 PN 접합 다이오드 또는 간단히 신호 다이오드 라고 합니다 .

그런 다음 우리는 PN 접합 이론에 대한 이 튜토리얼에서 PN 접합이 모든 유형의 정류기의 기본 반도체 구조로 사용될 수 있는 다이오드라고 불리는 전자 장치를 생성하기 위해 서로 다르게 도핑된 반도체 재료를 함께 결합하거나 확산시킴으로써 만들어질 수 있다는 것을 보았습니다. 트랜지스터, LED, 태양전지, 그리고 더 많은 고체 장치를 포함합니다.

PN 접합에 대한 다음 튜토리얼에서는 PN 접합 의 가장 흥미로운 응용 중 하나가 회로에서 다이오드로 사용되는 것을 살펴보겠습니다 . P형 및 N형 재료 의 각 끝에 연결을 추가함으로써 외부 전압에 의해 바이어스되어 전류 흐름을 차단하거나 허용할 수 있는 PN 접합 다이오드라고 하는 두 개의 단자 장치를 생산할 수 있습니다.