비 전공자도 쉽게 이해할 수 있는 반도체 접합과 PN Junction

반도체 접합에는 여러 종류가 있습니다. 서로 다른 특성을 지닌 반도체 접합은 반도체의 광학적, 전기적 특성과 정류 특성을 조절할 수 있기 때문에, 반도체 소자 및 집적 시스템에서 필수적인 구성요소로 사용됩니다. 이번 피드에서는 반도체 접합의 종류와 PN 접합(PN Junction)의 특성에 대해 알아보겠습니다.

 

반도체 접합의 종류

동종 접합(Homo junction)과 이종 접합(Hetero junction)

접합하는 재료에 따라 동종 접합과 이종 접합으로 나뉠 수 있습니다. 동종 접합(Homo junction)은 동일한 종류의 반도체가 접합한 형태로 Si-Si, GaAs-GaAs, InP-InP, GaN-GaN 접합 등이 있습니다. 동일한 반도체 재료가 접합되기 때문에 두 재료의 유전상수(ε), 전자친화도(qχ), 에너지 밴드갭(Eg) 등 양쪽 재료의 특성이 동일합니다.

 

반대로, 이종 접합(Hetero junction)의 경우 서로 다른 반도체가 접합한 형태로 Si-Ge, GaAs-AlAs 접합 등이 있습니다. 서로 다른 재료가 접합되기 때문에 두 재료의 유전상수(ε), 전자친화도(qχ), 에너지 밴드갭(Eg) 등 양쪽 재료의 특성이 다를 수 있습니다. 

가파른 접합(abrupt junction)과 완만한 접합(graded junction)

불순물의 농도 분포에 따라 가파른 접합과 완만한 접합으로 나뉠 수 있습니다. 가파른 접합(abrupt junction)의 경우 접합을 이루는 두 영역의 불순물의 종류 및 농도가 급격하게 변하는 경우로 분자선 에피택시와 같은 방법으로 접합을 형성할 때 나타납니다.

 

반대로, 완만한 접합(graded junction)의 경우 두 영역의 불순물 및 농도가 완만하게 변하는 접합으로 확산 공정 또는 이온 주입 후 열처리로 접합을 형성한 경우에 나타납니다.

이형 접합(anisotype junction)과 동형 접합(isotype junction)

불순물의 종류에 따라 이형 접합과 동형 접합으로 나뉠 수 있습니다. 이형 접합(anisotype junction)은 서로 다른 불순물 종류를 가지는 재료가 접합한 경우로 pn 접합 또는 np 접합이 있습니다. 접합의 종류에 따라 전류의 방향성을 조절할 수 있기 때문에 정류 접합 또는 정류 다이오드라고도 합니다. 

 

동형 접합(isotype junction)은 같은 종류의 불순물 종류를 가지는 재료가 접합한 경우로 n1-n2 접합 또는 p1-p2 접합이 있습니다. 동일한 종류의 불순물 간에 접합에서는 정류 특성이 나타나지 않고 인가전압에 따라 전류가 비례하는 특징을 가집니다. 

PN 접합 (PN 다이오드)

앞서 말했듯 PN 접합은 인가 전압의 극성에 따라 전류가 흐르기도 하고, 흐르지 않기도 하는 정류(rectifying) 특성을 가지고 있습니다. 전류가 흐를 때 인가된 전압을 순방향 전압이라고 하고, 전류가 흐르지 않을 때 인가된 전압을 역방향 전압이라고 합니다. 순방향 전압(forward bias)이 인가될 때의 전류는 다이오드를 구성하는 반도체 재료, PN 접합 제조 시 도핑 농도와 열처리 온도, PN 접합의 소자의 구조/면적, 인가전압, 온도 등의 동작 환경에 의해 결정됩니다. 

 

역방향 전압(reverse bias)이 인가될 때 이상적으로 전류는 흐르지 않아야 하지만 실제로는 누설 전류가 일부 발생합니다. 특히 큰 역방향 전압이 인가되면 누설 전류 외에 큰 역방향 전류가 발생하며, 이를 접합 붕괴 현상(junction breakdown)이라고도 합니다. 접합 붕괴 현상은 크게 눈사태 접합 붕괴, 제너 접합 붕괴로 나눌 수 있습니다.

 

 먼저, 눈사태 접합 붕괴는 역방향 전압에 의해 강한 전계가 생성되어 있는 공간전하영역 내에서 전계에 의해 전자와 정공이 가속 에너지를 받고, 원자와 충돌 과정을 반복하면서 큰 역방향 전류가 흐르는 접합 붕괴를 말합니다. 제너 접합 붕괴 현상을 아주 높게 도핑된 PN 접합 다이오드에 큰 역방향 전압이 인가된 경우, 접합 붕괴를 주도하는 현상을 말합니다. 

반도체 접합은 반도체 소자에서 기초가 되는 이론입니다. 접합의 전류와 전압의 특성을 더욱 향상하기 위해서 관련 기업과 학교에서는 다양한 접합 종류를 개발하고, 연구하고 있습니다. 반도체 관련 지식을 공부하신다면, 기초가 가장 중요한 만큼  PN Junction에 대해 자세히 공부하시는 것이 도움이 될 것입니다.

 

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