반도체 소자와 집적회로 - 반도체와 PN접합

반도체 재료

 

진성반도체

 - 단결성 구조를 가진 순수한 반도체

 - 규소[실리콘](Si) 및 저마늄[게르마늄](Ge) 의 원자핵의 가장 바깥궤도에 4개의 전자가 존재하는 Ⅳ원소

 - 순수한 반도체에 에너지를 가하면 충만대 → 전도대 이동

    ↳이동한 전자는 이전에 소속되있던 충만대에 빈자리를 남김

    ↳이 빈자리는 원래 (-)전하가 있어야 할 자리인데 마치 (+)전하가 출현한 것과 같으며 정공이라고 한다.

 

*정공은 이동이 비교적 자유로워 전도대의 전자와 함께 전하를 나르는 반송자의 역할을 담당

 

불순물 반도체

 - 순수한 반도체에 의도적으로 특정한 불순물을 첨가하여 전자 또는 정공이 크게 증가하도록 한 것

 - 다수 반송자가 전자이면 n형 반도체, 정공이면 p형 반도체이다.

 

☞ n형 반도체 : 안티몬, 비소, 인 등의 Ⅴ족 원소를 불순물로 사용

    → 이때 첨가된 불순물 = 도너

     ↳도너에 의한 과잉전자는 상온에서 쉽게 전도대로 옮겨진다.

 

☞ p형 반도체 : 붕소, 알류미늄, 갈륨, 인듐 등의 Ⅲ족 원소를 불순물로 사용

    →이때 첨가된 불순물 = 억셉터

     ↳억셉터에 의한 과잉정공은 상온에서 쉽게 충만대로 옮겨진다.

 

☞ 순수한 반도체에서 주위 열에너지에 의하여 자연히 발생된 반송자는 불순물 첨가에 의해 생성된

다수 반송자에 비하여 수천분의 일 수준으로 상대적으로 적어서 소수반송자라고 부른다.

    →반도체 내부 전류의 주도권 ⇒ 다수반송자

	진성	n형	p형
재료	4족원소	4족원소+p	4족원소+n
	규소, 게르마늄	안티몬, 비소, 인	갈륨, 인듐, 붕소, 알류미늄
특징	공유결합	과잉전자	과잉정공

 

PN 접합

 

- 반도체의 p형과 n형 영역이 연결된 접합

- 확산 접합법 → p형or n형 반도체 일부에 반대적 성질을 갖는 n형 or p형 불순물을 다량 확산시킴

- 다수 반송자 는 상대적으로 농도가 낮은 상대 영역으로 확산되어 들어가서 소수 반송자가 된다.

- 전자-정공쌍의 소멸 ⇒ pn접합면 부근에는 다수 반송자가 사라진 공핍증이 발생

   * 공핍증 = 공간 전하 영역

- pn접합면의 공간 전하 영역은 p형 영역에 (-)극성, n형 영역에 (+)극성을 갖는 역방향 전위장벽 발생

 

PN 접합 바이어스

 

바이어스는 반도체소자가 회로에서 요구하는 동작을 할 수 있도록 외부에서 가하는 에너지

 

구분	설명
순방향바이어스	p형 영역에 (+)전압 n형 영역에 (-) 전압 인가
역방향바이어스	p형 영역에 (-)전압 n형 영역에 (+) 전압 인가

☞  순방향 바이어스

 - 바이어스 전압을 점점 증가시키면 전원으로부터 다수 반송자의 주입이 시작되어 pn접합의 공간 전하 영역(공핍층)이 조금씩 좁혀진다.

 - 역방향 전위 장벽의 높이를 넘어서면 다수 반송자에 의한 순방향 전류 I 가 급격히 상승하여 다이오드는 거의 도체와 같이 전기 저항이 작게 나타나는 도통(ON) 상태가 된다.

 

☞ 역방향 바이어스

 - 공핍층 양쪽에 존재하는 다수 반송자들이 접합면 반대 방향으로 이동하여 공핍층은 더욱 넓어진다.

 - 정위장벽은 역방향 바이어스만큼 높아지며 다이오드는 전기 저항이 매우 커져서 전류가 거의 흐르지 않은 차단(OFF)상태가 된다.

But. 소수 반송자에게는 오히여 순방향 바이어스처럼 작용하므로 역방향 바이어스 전압을 따라 이동하는  소수 반송자에 의한 역방향 포화전류가 형성된다.

So. 역방향 바이어스가 더 증가하여 임계 전압을 넘어서면 역방향 바이어스 전압에 의해 가속된 소수 반송자가 큰 에너지로 다른 전자에 충돌하여 공유 결합을 깨뜨리게 됨으로써 원래의 소수 반송자 외에 새로운 전자-정공쌍이 2차적으로 함께 가속된다.

  ↳반송저의 연쇄적인 가속-충돌-생성의 반복 과정에 의하여 순간적으로 반송자가 폭발적으로 증가하여 순식간에 큰 전류가 흐르게 되는 현상을 전자사태라고 부르며 그 임계전압을 항복전압이라고 한다.