PN 접합의 형성, 전위 장벽
- P형 반도체와 N형 반도체가 접합을 하여 PN접합을 하면, 열평형 상태에 도달할 때까지 충분한 시간이 지나고나서, 양측의 페르미 준위는 동일한 좊이로 된다. 이것은 마치 수위가 다른 두 개의 물통을 연결하면 양쪽 물통의 수위가 같게 되는 것과 유사한 원리이다.
반도체의 PN 접합부에서는 전자와 정공의 이동이 발생한다.
- N형 반도체의 다수 캐리어인 전자는 확산 현상에 의해 그 밀도가 낮은 P형 반도체로 이동하며, 이 전자는 접합부의 억셉터와 결합하여 (+)의 전기적 성질을 갖는 도너 이온이 생기게 된다.
- 그림 2-1(c), (d)에서 나타낸 바와 같이, 접합부 부근에서 부전하인 억셉터 이온과 정전하를 갖는 도너 이온이 존재하게 되며, 이 영역을 공간 전하 영역이라한다. 이외의 영역은 N형 반도체 중에는 전도전자와 도너 이온이, P형 반도체에서는 정공과 억셉터 이온이 존재하는 중성 영역이다.
- 공간 전하 영역에서는 정(+)이온에서 부(-)이온으로 향하는 전기력선, 즉 전계가 형성되고, 이들 전계의 힘에 의하여 전자는 N형 영억으로, 정공은 P형 영역으로 밀어붙여 공간 전하 영역 내에서는 캐리어가 존재하지 못하므로 이 영역을 공핍층(depletion layer) 또는 전기적 이중층이라고도 한다. 이 전계는 N형측에서 P형측으로 전자의 확산, P형측에서 N형 측으로 정공의 호가산을 저지하는 반발력으로서도 작용하게 된다.
- 이와 같이 캐리어의 확산이 정지하여 전하의 이동이 없어지는 정상 상태(steady state)인 열평형 상태(thermal equilibrium)에 도달하게 된다. 여기서 이 전계가 존재한다는 것은 2-1(c) 혹은 (d)에서 보여준바와 같이 Ød라 하는 전위차가 생기는 것을 의마며, 이 전위차를 확산전위라고 한다. 이 전위에 상당하는 에너지 qØd 는 N형 반도체에서 P형 반도체로 확산하는 전자를 막고, 또 P형 반도체에서 N형 반도체로 정공의 확산을 가로막는 에너지의 벽이 되기 때문에 전위장벽이라 한다.
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