pn접합의 기본 구조

[역사적 시각]
1874년경에 금속 선을 황화금속(예를 들면 황철광) 표면에 눌러 붙이어 정류기를 만들 수 있었던 것이 관측되었다. 이들 정류기(고양이 콧수염 정류기)는 초창기 라디오에 사용되었다. 1935년까지 셀레늄 정류기들과 실리콘 점 접촉 다이오드들이 사용됐다. 그러나 이런 소자들은 신뢰성이 없었다. Purdue University와 Bell Labs. 들이 2차 세계대전 동안에 레이더 시스템에 사용된 게르마늄 다이오드를 생산했었다. 1949년에 W. Shockley가 pn 접합의 특성을 기술한 그의 논문을 발표했었다.

[현대적 시각]
pn 접합은 반도체 소자의 기본적 기초 요소로 지속하여 오고 있으며, pn 접합 이론은 아직 반도체 소자 물리학의 기초가 되어 있다. pn 접합은 그 자체가 비선형 정류설을 나타낸다. 다른 반도체 소자들은 여러 가지 형태로 2개나 혹은 더 많은 pn 접합들을 연결하여 만들어진다.

[pn 접합의 기본 구조]
전체 반도체가 단결정 물질이면서 p 영역을 만들기 위해 억셉터 불순물 원자들이 도핑된 부분과 그 접한 곳에 n 영역을 만들기 위해 donor 불순물이 도핑된 부분을 만드는 것이 중요하다. n과 p를 가르는 계면을 야금학적 접합이라고 부른다.
 간단하게 하려고, 각 영역에 균일한 도핑 농도가 있고 야금학적 접합에서 급격한 도핑 변화가 일어나는 계단형 접합을 고려하겠다. 처음에 야금학적 접합에서는 전자와 정공 농도 모두 매우 큰 밀도 기울기가 있다. n 영역의 다수 carrier인 전자들은 p 영역으로 확산을 시작할 것이고 p 영역의 다수 반송자인 정공들은 n 영역으로 확산을 시작할 것이다. 만약 반도체에 외부연결들이 없다고 가정하면, 이 확산 과정은 무한대로 계속되지 않을 것이다. 전자들이 n 영역으로부터 확산하면 양전하를 띤 donor 원자들이 그 자리에 남게 된다. 마찬가지로, 정공들이 p 영역으로부터 확산하며 그들은 음전하를 띤 억셉터 원자들을 남겨놓게 된다. n과 p 영역에 있는 net 양전하와 음전하들은 야금학적 접합 부근에서 양전하 쪽에서 음전하 쪽으로, 혹은 n에서 p 영역으로 전계를 유발한다.
 net 양전하 및 음전하를 띤 영역들을 공간 전하 영역이라고 부른다. 본질에서 모든 전자와 정공들은 전계에 의하여 공간 전하 영역에서 끌려나간다. 공간 전하 영역은 mobile carrier가 결핍되어 있으므로 이 영역을 또한 depletion 영역이라고 한다. 이들 두 말들은 상호 교환적으로 사용될 것이다. 밀도 기울기는 각 공간 전하 영역 끝의 다수 carrier 농도에서 아직 존재한다. 밀도 기울기를 다수 carrier에 작용하는 확산력을 일으키는 것으로 생각할 수 있다. 공간 전하 영역에서의 전계는 전자와 정공들에 다른 힘을 일으키는데 이들은 각 입자의 확산력과 반대 방향으로 향하고 있다. 열평형 상태에서는 확산력과 전계에 의한 장력이 서로 정확히 평형을 이루고 있다.

[pn 접합 - 바이어스를 걸지 않았을 때]
기본적인 pn 접합의 구조를 알아보고 공간 전하 영역이 어떻게 형성되는지 간단하게 생각해 보았다. 전류가 흐르지 않고 외부의 여기가 없는 열평형 상태에서 계단 접합의 성질들을 알아보고, 공간 전하 영역의 폭, 전계, 공핍층을 통한 전위들을 알아보자.

[내부 전위 장벽]
만일 pn 접합에 아무런 전압이 공급되지 않는다고 가정하면, 접합은 열평형 상태에 있게 된다. 페르미 에너지 준위는 전체 영역에서 일정하다. conduction band와 valence band뿐만 아니라, 진성 페르미 에너지도 p와 n 영역들 사이에서 Fermi 준위에 대한 상대적 위치가 변화하기 때문에 공간 전하 영역에서 구부러져야 한다. 공간 전하 영역 내에서의 이들 에너지 준위들의 모양을 결정할 것이다.
 n 영역의 conduction band에 있는 전자들은 p 영역의 conduction band로 이동하려면 전위 장벽에 부딪히게 된다. 이 전위 장벽을 내부 전위 장벽이라고 언급한다. 내부 전위 장벽은 n 영역의 다수 carrier인 전자들과 p 영역의 소수 carrier인 전자들 사이에 평형 상태가 유지되게 한다. 마찬가지로, p 영역의 valence band에 있는 정공들이 n 영역의 valence band로 이동하려면 전위 장벽에 부딪힌다. 이 전위 장벽 역시 p 영역의 다수 carrier인 정공들과 n 영역의 소수 carrier인 정공들 사이에 평형 상태가 유지되게 하는 것이다. 접합을 가로지르는 이와 같은 전위 차이는 전압계로써 측정할 수 없다. 왜냐하면, 새로운 전위 장벽들이 탐침들과 반도체 사이에 형성되어 내부 전위 장벽을 없애기 때문이다. 내부 전위 장벽은 평형 상태를 유지하기 때문에 이 전압에 의해서는 전류가 흐르지 않는다.
 진성 페르미 준위는 접합에서 conduction band로부터 동일 거리 만큼 떨어져 있으므로 내부 전위 장벽은 p와 n 영역에서의 진성 페르미 준위들 사이의 차로써 정해질 수 있다.
 n 영역에서 conduction band의 전자 농도와 p 영역에서 valence band의 정공 농도를 통해 내부 전위 장벽을 구할 수 있다.
 (내부 전위 장벽의 전압) = (열 전압)*ln((억셉터 농도)*(donor 농도)/(진성반도체 농도)^2)
여기서 표기와 관련하여 중요한 점을 짚고 넘어가자. 앞에 반도체 물질 논의에서 (억셉터 농도), (donor 농도)는 같은 영역에서 donor와 억셉터 불순물 농도를 나타냈으므로, 이로 인해 보상형 반도체를 형성하였다. 이제부터는 각각의 n과 p 영역에서 net donor와 억셉터 농도를 나타낼 것이다. 

 

MOS 커패시터에서의 전위차

MOSFET 기초

금속-반도체 옴(Ohm) 접촉

금속-반도체 접촉(쇼트스키 접합)