[반도체기초] 반도체(다이오드, FET, MOS) 원리

싸이블로그를 통해 한번 작성했던 내용인데 요거 관련해서 관심 있는 사람들이 많은 것 같아 부수적인 것들을 좀 더 추가하여 재포스팅 해본다.

내가 이걸 왜 만드냐 하면…. 인터넷 자료에는 원자 단위부터 설명된 것이 내가 찾기로는 없기 때문에 반도체 엔지니어들의 이해를 돕기 위해서 이것을 작성한다!!!

보통의 반도체 관련 자료는 인터넷에 다 있으니까 나는 거꾸로 유추하면서 인터넷에 없는 설명을 하도록 하겠다. 반대로 이야기하면 다른 인터넷 글 읽고 이 글을 읽어야 이해가 된다(?) 랄까…

자 그럼 시작해 볼까~ (오글오글)

먼저 일반적으로 우리가 배운 다이오드는 N-type, P-type 반도체가 접합(junction)되어 있는 것을 다이오드라고 한다.

n형과 p형이 결합하면 결합되는 부분이 농도로 인해 확산(diffusion)을 통해서 n형의 자유전자가 p형의 정공으로 가면서 결합되며 이 상태를 중성?, equilibrium 이라고 한다.

n형에서 자유전자가 빠져 나간 자리는 +immobile charge가 생기게 된거고 p형에서는 홀이 없어진 것과 같으니 –immobile charge가 생긴 것이고 이 둘간의 내부 electric field가 발생하는데… 

그럼 여기서 접합된 부위는 왜 섞이다가 마느냐? 이다.

그것은 확산(diffusion)과 electric field의 힘이 평형이 되서 그렇다고… 인터넷에….-_-);;

어쨌든 먼가 대충 이해가 될 듯 말 듯 하다??

서로 섞여서 중성이 되는 것은 알겠어… 그런데 왜 n형쪽은 +immobile charge가 생기고 p형쪽은 –immobile charge가 발생하는 거지? 서로 중성이라면서? 그럼 극성이 없는 거 아닌가?

자 그럼 여기서 한 단계 더 내려가야 한다.

n형과 p형 반도체가 어떻게 만들어지는 보자.

n형 반도체

4가의 Ge(게르마늄)이나 Si(실리콘) 등의 원자에 5가의 As(비소)나 Sb(안티몬)을 극히 소량을 섞으면 다음 그림과 같이 5개의 외각 전자 중 4개는 Ge, Si의 가전자와 공유 결합을 하고 남은 전자 1개는 자유 전자가 된다. 이 자유 전자가 결정안을 자유롭게 돌아다니면서 전하의 운반체 역할을 한다. 전하의 운반체가 음(-)전하를 띤 전자인 반도체를 N형 반도체라고 한다.

[네이버 지식백과] N형 반도체 [N type semiconductor, -形半導體] (Basic 고교생을 위한 물리 용어사전, 2002.4.15, (주)신원문화사)

p형 반도체

순도가 높은 4가의 Ge(게르마늄)이나 Si(실리콘)의 결정에 3가의 In(인듐)이나 Ga(갈륨)을 극미량 넣으면 8개의 전자가 서로 공유 결합하여야 되는데 하나가 부족한 곳이 생긴다. 이와 같은 곳을 정공(hole)이라고 한다. 이때 이 홀을 이웃한 전자들이 자꾸 메움으로써 회로에 전류가 흐른다. 홀은 음(-)전하를 띤 전자가 하나 모자란 상태이므로 양(+)전하로 볼 수 있다. 이 홀이 전하의 운반체 역할을 하는 반도체를 P형 반도체라고 한다.

[네이버 지식백과] P형 반도체 (Basic 고교생을 위한 물리 용어사전, 2002.4.15, (주)신원문화사)

편하게 네이버에서 퍼 왔다.

흠… 원래 순수한 Si 실리콘의 공유 결합은 부도체에 가깝다. 그런데 여기에 불순물(dopant)를 어떤 것을 섞게 되느냐에 따라 전자가 더 하나 많아 지면 n형, 전공이 하나 더 많으면 p형이 되는 것이다. 

싸고 많이 만들어야 하니까 실리콘 쓴 거고(Si는 규소고 규소는 모래에 많으니까… 싼거겠지?) 

불순물도 싼 거 썻겠지..(푸핫 ㅈㅅ;;;) 어쨌든 이렇게 n형과 p형이 만들어 지면서

아까 다이오드에서 n형의 하나 남는 전자가 p형의 정공으로 들어가면서 결합하는 것이다!!

어?! 그럼 n형쪽은 +immobile charge가 생기고 p형쪽은 –immobile charge 발생은?? 좀 감이 오는가?

이해를 돕기 위해 주기율표를 추가하면

잠깐 산으로 가서 설명이 하나 더 필요하다. 원자(atom)라는 것은 물질의 기본적인 최소 입자로 원자핵 + 전자로 구성되어 있다.

다시 돌아와서 주기율표를 보면 Si는 14에 있는데 여기서 뒷자리 4가 Si가 가지고 있는 전자 개수가 되겠다. 그럼 하나 더 As는? 15에 있으니까 주위에 전자가 5개인가? … 맞다!!

반도체는 Si에 불순물로 As 섞으면 전자 하나가 남아서 n형이 되는 것이다. 

왜 이걸 설명하느냐

그럼 As에 5개의 전자가 있어야 하는데 하나가 없어지면 어떻게 되지? 당연히 + 지 머…

그럼 p형으로 볼 때 13에 있는 B의 주위에 전자가 하나 더 생겨서 4개가 되면 B는 어떻게 되지? 당연히 – 지 머…

이제 감이 오는가!?

공유 결합으로 인하여 n형은 자유전자가 하나 남게 되고 p형은 정공이 하나 남게 되는데 n형의 전자가 p형으로 이동하면서 n형은 전자를 하나 잃게 되어 +가 되는 것이고!!! p형은 전자를 하나 얻게 되어 –가 되는 것이다!! 

또한 주위에 공유 결합이 완벽해 지면서 전기가 흐를 수 없게 되는 것이다.

그래서 다이오드 접합 부위에 ‘공핍영역(depletion region)’이 생기게 되고 이 공핍영역을 전자가 이동할 수 없게 된다.

그럼? 전기는 어떻게 흐르지?

전기는 전자(or 정공)이 이동하면서 생기는 것이므로 자유전자가 있어야 한다~~

앞서 설명한대로 공핍영역 이외 지역들에는 자유전자들이 돌아다니게 되는데 공핍영역으로 인해 자유전자가 넘어갈 수가 없게 된다.

이후 전기가 걸렸을 때 설명들은 인터넷에 자세히 많이 나와 있으니 자료 참조하기를 바라며

간략히 설명하면

역방향 전압이 걸리면 공핍영역이 확장되고 순방향 전압이 걸리면 공핍영역이 줄어들게 되는데 이 줄어든 공핍영역을 전자가 넘어가기 위해 에너지가 필요하고 이것이 문턱전압(threshold voltage)이 되며 다이오드의 경우 약 0.5V~1V 정도가 되겠다.

더 자세한 내용은 인터넷 자료를 참조 바라며

나는 여기까지…