반도체와 pn접합

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고체의 에너지띠 이론

학습 목표

종류가 다른 원소를 이용하여 반도체 소자를 만들 수 있음을 다이오드를 이용하여 설명할 수 있다.

핵심 키워드 조직도

※학습 목표 및 핵심 키워드 조직도 분석

반도체는 전자 기기에 들어가는 부품이다 보니 전류가 흘러야 될 거 같긴 하고, 뭔가 이름이 '반'도체라서 도체에 비해 전류가 약하게 흐르거나 절반만 흐를 거 같은 느낌이다. 하지만 순수한 반도체(자연 상에 있는 반도체, ex: 실리콘)의 전기 전도도는 거의 부도체에 가깝다. 그렇기 때문에 전자 기기에 들어가는 반도체는 순수한 반도체가 아니다. 이 순수한 반도체에 어떤 불순물을 합쳐 인공적인 조작을 가함으로써 반도체는 상품적 가치를 갖게 된다.

1. 불순물 반도체

 

규소 원자 내의 14개 전자는 왼쪽 그림과 같이 가장 낮은 에너지 준위부터 차례대로 차곡차곡 채워진다. 가장 바깥쪽 궤도에 존재하는 4개의 전자는 비교적 원자핵으로부터 자유롭다 보니 화학 결합의 참여가 쉬운 상태다. 이런 전자를 '원자가 전자'라고 한다.

순수한 반도체인 저마늄(Ge), 규소(Si) 원자 모두 원자가 전자를 4개 가지고 있다.

 

 

규소의 공유결합

각각의 규소 원자들은 인접한 규소 원자의 원자가 전자들과 공유 결합을 하여 결정을 이루는데, 이 결정이 바로 순수한 반도체이다. 아까도 말했지만 순수한 반도체는 전자 제품으로 이용하기에는 전기 전도성이 너무 떨어진다. 어떻게 하면 반도체의 전기 전도성을 좋게 할 수 있을까?

 

전기 전도성을 올린다는 것은 전하의 유동성을 늘린다는 말이다. 그렇다면 유동성을 어떻게 늘릴까?

바로 순수한 반도체에 다른 물질을 첨가함으로써 전하의 유동성을 늘릴 수 있다. 

 

①n형 반도체(전자가 양공보다 많음)

 

그림은 원자가 전자가 5개인 Sb(안티모니)를 Si(규소) 결정에 첨가한 건데, Sb의 원자가 전자 중 4개는 이웃한 Si 원자가 전자와 공유 결합을 하고, 남은 1개의 잉여 전자는 결합할 짝이 없어서 자유롭게 돌아다닐 수 있는 자유 전자가 된다. 도핑할 때 여러 개의 Sb 원자를 첨가하니 그만큼 자유 전자의 수는 많아지는 거고, 그만큼 전기 전도성이 좋아진다.

 

잉여 전자들은 전도 띠 바로 아래에 생긴 에너지 준위(주개 준위)를 점하기 때문에 전도 띠로 쉽게 이동할 수 있다. 그러다 보니 전도 띠에 전자의 개수가 많아진다. (Si의 원자가 띠에서 넘어온 전자에 Sb의 에너지 주개 준위에서 넘어온 잉여 전자를 포함한 만큼 많다.)

일반적으로 주개 준위와 전도 띠의 가장 낮은 에너지 준위 사이의 차이는 대략 0.5eV로 매우 작다. 이러한 주개 준위에 있는 전자들이 전하 운반 역할을 하게 된다. 이렇게 불순물 첨가로 인해 전자가 주된 전하 운반자가 되는 것을 n형 반도체라고 한다.

 

②P형 반도체(양공이 전자보다 더 많음)

 

반대로 그림은 원자가 전자가 3개인 B(붕소)를 Si 결정에 첨가한 건데, 이때 B의 원자가 전자 3개는 이웃한 Si의 원자가 전자 3개와 공유 결합을 하지만 나머지 Si의 원자가 전자 1개는 공유 결합할 전자가 없기 때문에 자리 공백이 생긴다. 이 빈자리를 주변의 전자가 이동하면서 채우고, 또 그 자리가 비면서 양공이 생기는 과정이 반복되는데, 여러 개의 B를 도핑한 만큼 양공의 수가 많아지면서 전기 전도도가 높아지는 결과가 나타난다.

 

이때는 원자가 띠 바로 위의 에너지 준위(받개 준위)로 전자가 이동하면서 원자가 띠에 양공이 많이 만들어진다. (Si의 전자가 Si의 전도 띠로 이동하면서 남긴 흔적에 Si의 전자가 B가 만든 원자가 띠 바로 위의 에너지 받개 준위로 이동하면서 남긴 흔적이 추가된 만큼 많아짐)

2. pn 접합

(좌) 꼬마전구, (우) 발광다이오드(LED)

꼬마전구와 LED 모두 빛을 내는 전기 부품이다. 꼬마전구 소켓의 왼쪽과 오른쪽을 구분할 것 없이 전선으로 꼬마전구를 건전지와 연결만 하면 빛이 발생하지만, LED는 긴 쪽을 전지의 (+) 극에, 짧은 쪽을 전지의 (-) 극에 연결해야만 빛이 발생한다. 반대로 연결하면 빛이 나지 않는다.

 

왜 LED는 연결하는 방향에 따라 빛이 나고 나지 않는 걸까? 

 

일단 LED에 빛이 난다는 것은 LED에 전류가 흐른다는 뜻이고, LED에 빛이 나지 않는다는 것은 LED에 전류가 흐르지 않는다는 뜻이다. 즉, LED에서는 전류가 한 방향으로만 흐를 수 있다. 

 

LED는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합하여 만든 전기 부품이다.

반도체 특성을 이해한다면 왜 LED에서는 전류가 한 방향으로만 흐르는지 설명할 수 있다.

 

향수를 뿌리면 향 분자들은 주위의 공기로 확산된다. 이와 같은 확산 현상이 일어나는 까닭은 보통 공기 중에 향수 분자가 거의 없기 때문이다. p형 반도체엔 비교적 양공이 많고, n형 반도체엔 비교적 전자가 많다. 두 개를 접합시키면 전자와 양공은 자기와 같은 존재들이 많이 없는 곳으로 확산된다. 어느 정도 시간이 지나 평형 상태에 도달하게 되면 공핍 영역이 만들어진다. 공핍 영역이 만들어지는 순간 전자와 양공의 확산은 멈추게 된다.(확산하려는 힘과 전기력이 균형을 이루기 때문이다.)

 

①순방향 전압을 걸어줄 때

p형 반도체를 전지의 (+)극 쪽에 연결하면, 양전하처럼 행동하는 p형의 양공은 건전지의 (+) 극에 의한 척력에 의해 오른쪽으로 더 밀려간다.

n형 반도체를 전지의 (-)극 쪽에 연결하면, n형의 전자는 건전지의 (-) 극에 의한 척력에 의해 왼쪽으로 더 밀려가게 된다.

따라서 공핍 영역의 두께가 얇아지는 효과가 나타나므로 전하들이 장벽을 넘어갈 수 있는 확률이 올라가게 되면서, 전류가 흐를 수 있게 된다.

 

②역방향 전압을 걸어줄 때

반대로 p형 반도체를 전지의 (-) 극 쪽에 연결하면, 양전하처럼 행동하는 p형의 양공은 건전지의 (-) 극에 의한 인력에 의해 왼쪽으로 끌려가게 된다.

n형 반도체를 전지의 (+)극 쪽에 연결하면, n형의 전자는 건전지의 (+) 극에 의한 인력에 의해 오른쪽으로 끌려가게 된다.

따라서 공핍 영역의 두께가 두꺼워지는 효과가 나타나므로 전하들이 장벽을 넘어갈 수 있는 확률이 낮아지게 되면서, 전류가 잘 흐를 수 없게 된다.

 

따라서 LED에 순방향으로 전압을 걸어주면 빛이 나고, 역방향으로 걸어주면 빛이 나지 않는다. 이처럼 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 작용을 '정류 작용'이라 한다.

3. pn 접합과 다이오드

다이오드와 pn 접합은 동의어다. pn 접합은 어디에 사용될까?

 

①발광 다이오드(LED)

이름 그대로 빛을 방출하는 pn 접합이다. 순방향 전압이 걸리면 많은 양공들이 n영역으로, 또 많은 전자들은 p영역으로 이동하여 전자와 양공이 다시 결합할 때, 접합면 간격과 거의 같은 에너지를 가진 광자를 방출한다. 이러한 발광 다이오드(LED)는 시계, 전자 장치 외에 많은 장치의 디지털 화면에 사용된다.

 

블루의 힘

LED는 적, 녹, 청의 순서로 만들어졌다. 빛은 붉은색보다 푸른색에 가까울수록 진동수가 높아져서 에너지가 커진다. (E=hf)

붉은색 LED가 나오고 푸른색 LED가 나오는 데 무려 27년이나 걸렸다. 각고의 노력 끝에 나카무라 슈지를 포함한 일본 과학자들이 청색 LED를 만들었고, 이에 대한 공로로 2014년 노벨 물리학상을 받았다.

도대체 청색 LED가 뭐길래 개발자들에게 노벨상까지 수여했을까? 이 자그마한 부품 하나가 인류의 삶에 큰 영향을 미쳤기 때문이다.

청색 LED 개발 성공 이후 좋은 품질의 백색광 LED를 만들 수 있게 되었다. 인류는 형광등에 비해 수명도 길고 에너지 효율도 좋은 데다, 훨씬 밝은 빛이 나오는 광원을 얻게 된 셈이다.

저전력으로도 LED 작동에 무리가 없어서 개발도상국의 불안정한 전력 공급에도 LED 사용에는 어려움이 없었다. 게다가 청색 LED를 통해 자외선 살균이 가능해져서 빈곤 국가들이 겪는 오염된 물로 인한 질병에서도 많은 인류를 구할 수 있었다.

②광 다이오드

발광 다이오드의 거꾸로 버전으로 생각하면 된다. 빛을 전기 신호로 변환하는 다이오드이다. 

접합면 부근에 접합면 간격 이상의 에너지를 지닌 빛을 비추면 원자가 띠의 전자가 광자를 흡수하여 전도 띠로 전이되며 양공과 자유 전자의 쌍이 생성된다. 태양 전지에 광 다이오드가 활용된다.

 

#잠시 쉬어가기 '순수에 대한 집착'

gooseskin.tistory.com/106

[증류수를 마시면 위험한 이유] 순수에 대한 집착

반도체는 그 자체로는 산업 부품으로써의 가치가 없었다.

반도체는 불순물이 첨가되어서 한 방향으로만 전류를 흐르게 하는 확고한 정체성을 가질 수 있었고, 이 점에서 도체와 부도체가 갖지 못하는 반도체만이 갖는 차별화된 경쟁력을 가질 수 있었다.

순수에 대한 맹목적인 집착이 맞이한 비극의 분야별 사례를 포스트를 통해 확인해보았다. 

 

나 자신에게만 함몰되기보다는 타인을 공감하고 배려하는 등 다양성을 존중하고, 내가 알고 있는 지식에만 함몰되지 않고 새로운 정보를 적극적으로 수용할 수 있는 지적 유연성을 기른다면 나만의 확고한 정체성을 구축하는데 도움이 돼 남들과 차별화된 경쟁력을 가질 수 있지 않을까?

4. 기출문제 풀어보기

15년도 9월 모평 물리1 3번/ 정답률 88%

답: 3번

 

16년도 수능 물리1 12번/ 정답률 89%

답: 4번

 

14년도 6월 모평 물리 1 12번/ 정답률 71%

답: 3번

 

18년도 4월 학평 물리1 15번/ 정답률 77%

답: 3번