[반도체 재료-2] PN Junction - I(Bandgap/Fermi/Capacitor)

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[반도체 재료-1] Semiconductor and doping https://limitsinx.tistory.com/110

 

PN Junction을 이해하기 위해서는 반드시 3가지 개념을 알고 있어야하는데요

 

① Bandgap Energy

② Fermi level

③ Capacitor

 

하나씩 차례대로 정리해보도록 하겠습니다!

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Bandgap Energy

출처 : https://physics.stackexchange.com/questions/470096/how-can-electrons-travel-from-the-valence-band-into-the-conduction-band

 

Bandgap Energy는 금속/비금속/절연체 포함하여 모든 물질(Materials,재료) 그자체에서 나타나는 특성입니다.

 

물론, 어떤재료냐에 따라 Bandgap의 형태는 다르지만요!

 

반도체에서 다루는 Bandgap을 위주로 정리해보겠습니다.

 

Bandgap은 크게 3가지로 나누어볼 수 있습니다. 

 

① Conduction band(이하 Ec)

② Valence band(이하 Ev)

③ Fermi level (이하 Ef)

 

출처 : https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9B%90%EC%9E%90%EA%B0%80%EB%9D%A0

높이를 보면 맨위에부터 Ec, Ef, Ev 순으로 있는데요

 

Ev아래에 있는 전자들이 열(Thermal)이나 에너지를 받게되면 Ec위로 이동하게 되는데, 이때 전류가 흐르게 됩니다.

 

Ec와 Ev사이에 Bandgap이라고 있는 부분은 전자가 존재하지 않는 부분인데요

Ev에서 Ec로 전자가 이동할때 지나가기만 하는 부분이라고 생각하시면 됩니다.

 

반도체에는 이렇게 Bandgap이 존재하여, Bandgap을 넘어갈만한 에너지나 열이 있는경우에 전류를 흘릴 수 있지만, 구리(Cu)같은 금속체는 전류가 잘통하는 Bandgap에너지가 없는 형태입니다. (Ec와 Ev가 동일선상에 있습니다.)

 

반대로 절연체의 경우에는 이 Bandgap이 아주 큰경우인데요, Silicon이 1.1eV(electron Volt)정도라면, 절연체(Insulator)는 10eV~정도 됩니다. 즉, Bandgap이 아주큰데 Bandgap이 크다고 무조건 전류가 안흐르는게 아니라 Bandgap을 넘어갈만한 에너지나 열을 만들어내기 힘들뿐, 만들수만 있다면 절연체도 전류가흐를 수 있습니다.

 

 

[금속/절연체/반도체의 Energy diagram] 출처 : https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/radiation-detection/semiconductor-detectors/what-are-semiconductors-properties-of-semiconductors/conduction-and-valence-band-in-semiconductors/

 

Doping과 Bandgap의 관계

출처 : https://www.researchgate.net/figure/Diagram-of-energy-bands-for-pure-also-called-intrinsic-and-doped-semiconductors-also_fig3_274719826

Ev와 Ec사이 Bandgap에 그어진 선을 Fermi level이라고 하는데요

 

Fermi level(준위)의 정의는 "전자가 존재할 확률이 50% 이상인 지점"을 뜻합니다.

 

따라서, N-doped Semiconductor는 전자가 과잉인 상태이기에 Fermi level이 Ec(Conduction band)에 가깝게 존재하고

 

반대로, P-doped Semiconductor는 전자가 부족한 상태이기에 Fermi level이 Ev(Valence band)에 가깝게 존재하게 됩니다.

 

즉, 쉽게 생각하면 N-type은 전자가 과잉된 상태이기에 Intrinsic(순수) 반도체 대비 Fermi level이 높은(전자가 존재할 확률이 높은) 상태이고 P-type은 Intrinsic 대비 Fermi level이 낮은상태 입니다.

 

Capacitor

출처 : https://blog.naver.com/kiwoo81/120059761846

커패시터는 전자회로에서 많이 보셨을텐데요

 

대표적인 수동소자 3개 R(Resistance), L(Inductor), C(Capacitor)중 하나입니다.

 

반도체와 갑자기 커패시터가 무슨상관일까요?

 

커패시터의 구조를 자세히 뜯어보시면, Energy diagram과 아주 비슷합니다.

 

커패시터는 Conductor(금속) 두개사이에 Insulator(절연체)가 존재하는 형태죠

 

이것은, Ec와 Ev사이에 전자가 존재하지않는 Bandgap으로 존재하는 반도체 재료와 동일한 샌드위치 구조입니다.

 

즉, 커패시터 양극단에 전위차를 주게되면, Dielectric(분극)이 발생하게 되는데요. 이것을 반도체로 그대로 가져오면

PN-Junction이 됩니다. 

 

다음글에서는 본격적으로 PN Junction에 대해 정리해보겠습니다!