[2015개정 물리학1] 반도체와 P-N 접합

순수한 반도체는 전류가 잘 흐르지 않지만 인공적인 조작을 가하여 전기 전도도를 증가시킬 수 있는 특징이 있다. 이러한 특성을 이용하여 반도체 소자는 텔레비전, 컴퓨터, 스마트폰 등 대부분의 전자 제품에 쓰이고 있다.

1. 불순물 반도체

 

파울리 배타 원리에 따라 전자 하나는 하나의 양자 상태(궤도 양자수, 각운동량 양자수, 스핀 양자수 모두 고려한 양자 상태)에만 채워질 수 있다.

따라서 규소 원자 내의 14개 전자는 왼쪽 그림과 같이 가장 낮은 에너지 준위부터 차례대로 채워지며, 가장 바깥쪽 궤도에 존재하여 비교적 화학 결합의 참여에 용이한 4개의 전자를 원자가 전자라고 한다.

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

 

규소의 공유결합

각각의 규소 원자들은 인접 규소 원자의 원자가 전자들과 공유 결합하여 결정을 이루게 되며 이 결정이 순수한 반도체이다. 순수한 반도체는 절연체보다는 전도 띠와 원자 가띠 간의 에너지 갭이 작지만 전자 제품에 이용하기에는 전기 전도성이 너무 떨어진다. 

 

어떻게 하면 반도체의 전기 전도성을 좋게 할 수 있을까?

 

전기 전도성을 올린다는 것은 전기를 띠는 입자의 유동성을 늘린다는 것이다. 그렇다면 어떻게 유동성을 늘릴 것인가?  순수한 반도체에 다른 물질을 첨가하면 된다. 반도체의 전기 전도성을 좋게 하기 위해 불순물을 첨가하는 것을 '반도체를 도핑한다.'라고 한다.

 

n형 반도체의 에너지 준위와 자유전자, 양공의 개수

그림 (가)는 원자가 전자가 5개인 As(비소)를 도핑한 것인데 4개의 전자는 이웃한 규소 원자와 공유 결합을 하고, 남은 1개의 잉여 전자는 전도띠로 쉽게 들떠서 자유 전자가 되어 전기 전도도를 높이는 결과를 낸다.

잉여 전자의 에너지 준위는 전도띠 바로 아래에 생기므로 전자들이 쉽게 전도 띠로 이동할 수 있고 전체적으로 양공보다 전자의 개수가 훨씬 많다.

 

p형 반도체의 에너지준위와 자유전자, 양공의 개수

반대로 그림 (나)는 원자가 전자가 3개인 B(붕소)를 도핑한 것이고, 3개의 전자는 이웃한 세 개의 규소 원자의 전자들과 공유 결합을 하지만 한 개의 규소 원자의 전자는 공유 결합할 전자가 없기 때문에 자리가 하나 빈다. 이 빈자리를 주변의 전자가 전이하면서 채우면, 이동해 온 자리에 양공이 생기는 과정이 반복되면서 전기 전도도를 높이는 결과를 낸다. 이때는 원자 가띠 바로 위의 에너지 준위로 전자가 이동하면서 원자가띠에 양공을 만들게 된다. 따라서 전체적으로 양공의 개수가 전자의 개수보다 많다.

 

n형이든 p형이든 모두 전기를 띠는 입자의 유동성을 늘린 결과를 나타내기 때문에 순수한 반도체일때보다 전기전도도가 올라가게 된다.

2. P-N 접합

(좌) 꼬마전구, (우) 발광다이오드(LED)

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

 

왜 LED는 연결하는 방향에 따라 빛이 나고 나지 않는걸까? 

 

일단 LED에 빛이 난다는 것은 LED에 전류가 흐른다는 것이고, LED에 빛이 나지 않는다는 것은 LED에 전류가 흐르지 않는다는 것이다. 즉 LED엔 전류가 한 방향으로만 흐른다는 것을 의미한다. LED는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합하여 만든 전기 부품인데 반도체 특성을 이해한다면 왜 LED에서는 전류가 한 방향으로만 흐르는지 설명할 수 있다.

 

 

향수를 뿌리면 향 분자들은 주위의 공기로 퍼져가게 된다. 이와 같은 확산 현상이 일어나는 이유는 보통 공기 중에 향수 분자가 거의 없기 때문이다. p형 반도체엔 비교적 양공(자유 정공)이 많고 n형 반도체엔 전자가 많다고 했다. 두 개를 접합시키면 전자와 양공은 자기와 같은 존재들이 별로 없는 곳으로 확산하는데 어느 정도 시간이 지나 평형 상태에 도달하게 되고, 위 그림의 오른쪽과 같은 구조가 만들어진다. 공핍 영역을 전하들이 지나가는 걸 방해하는 장벽이라고 생각하면 되고, 이 장벽이 만들어지는 순간 전자와 양공의 확산은 멈추게 된다.(확산하고 싶어 하는 능력과 전기력이 균형을 이루는 지점)

순방향 전압과 역방향 전압

p형을 전지의 (+) 극에 n형을 전지의 (-)극에 연결하면 평형 상태임에도 불구하고 p형 쪽의 양공은 양전하처럼 행동하니 척력에 의해 오른쪽으로 더 밀려가고, n형의 전자는 척력에 의해 왼쪽으로 더 밀려가게 되어 중간 장벽의 두께가 얇아지는 효과를 일으킨다. 따라서 전하들이 장벽을 넘어갈 수 있는 확률이 올라가게 된다. 즉 전류가 흐른다. 이는 마치 향수를 분사하는 분무기의 압력이 엄청나게 커져서 향이 더 멀리 퍼지는 것과 같은 것으로 비유를 할 수 있겠다.

 

반대로 p형을 전지의 (-)극에 n형을 전지의 (+)극에 연결하면 평형 상태임에도 불구하고 p형쪽의 양공은 양전하처럼 행동하니 인력에 의해 왼쪽으로 이동하고, n형의 전자도 인력에 의해 오른쪽으로 이동하게 되어 중간 장벽의 두께가 두꺼워지는 효과를 일으킨다. 따라서 전하들이 장벽을 넘어갈 수 있는 확률이 낮아지게 된다. 즉 전류가 거의 흐르지 않는다.

 

따라서 LED에 순방향으로 전압을 걸어주면 빛이 나고, 역방향으로 걸어주면 빛이 나지 않는 것이다. 이처럼 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 작용을 정류 작용이라 한다.

정리하면 p-n접합으로 이루어진 발광 다이오드(LED)는 정류 작용에 의해 전류가 한 방향으로만 흐르는 것이다.