전자ㆍ정공 활용 전류흐름 조절
반도체를 설명할 때 전기가 통하는 도체와 전기가 통하지 않는 부도체의 중간 단계라고 흔히 설명합니다. 전기를 통할 수도 통하지 않을 수도 있다는 것이죠. 하지만 반도체의 설명이라고 하기에는 부족하고, 반도체가 어떨 때 전기가 통하고 어떨 때 통하지 않는 지에 대한 이해도 쉽지가 않습니다.
전기가 통한다는 것은 전류가 흐른다는 것을 말하는 것으로 전류를 흐르게 하는 행위는 전하를 나르는 일입니다. 이처럼 전하를 나르는 역할을 하는 것이 캐리어(Carrier)라는 것입니다. 일반적으로 전기는 전자의 흐름으로만 알고 있지만, 사실은 전자와 정공(전자가 비워진 빈공간)이 모두 캐리어로서 전류의 흐름을 만듭니다.
전기를 통하게 하는 것은 들뜬 전자와 정공, 즉 자유전자 혹은 가전자가 만들어내는 것입니다. 자유롭게 돌아다닐 수 있는 이 자유전자(전자ㆍ정공)가 많으면 전류가 잘 흐르는 도체이고, 이같은 전자나 정공이 적으면 전류를 잘 흐르게 하지 못하는 부도체가 되는 것입니다.
반도체는 도체와 부도체의 중간 정도로 자유전자나 가전자가 적당하게 존재하는 것을 말합니다.
주로 반도체의 재료로 사용되는 것이 실리콘이나 게르마늄인데 이들은 형제(전자)가 4명이 있는 4족 원소입니다. 우리가 4인 가족이 가장 안정적이라고 말하지만 원소도 마찬가지입니다. 이들은 서로 결합할 때 8명이 묶이면 가장 안정적인데 이 경우에는 전류가 통하지 않습니다.
순수 실리콘이나 순수 게르마늄으로 만들어진 진성반도체가 전기가 통하지 않는 이유는 이들이 4개의 원자를 가진 4인가족(4족 원소) 구성체로 돼 있어, 들 떠 있는 자유전자나 정공이 없이 너무 안정적이기 때문입니다.
이같은 안정상태를 불안정한 들뜬 상태로 만들기 위해 내부에 분란을 일으킬 필요가 있습니다. 반도체 제조공정에서 불순물을 투입하는 과정이 있는데, 3명의 형제(전자)가 있는 3족 원소(인듐, 갈륨)를 4인 가족 구성체에 투입하면 가장 안정적인 8명의 형제가 아닌 7명의 형제가 되고 1명의 빈자리(정공)가 생기게 됩니다. 이 빈자리가 캐리어로서 전류를 나르게 되는 데 이같은 형태의 반도체를 P형 반도체라고 합니다.
또 순수반도체(4족 원소)에 5명의 형제가 있는 5족원소(안티몬, 비소, 인)를 넣으면 각각 4명이 손을 잡고 나면, 한명의 노는 전자(자유전자)가 발생하는 데 이 자유전자가 캐리어로서 전류를 나르게 됩니다. 이를 N형 반도체라고 하지요.
이같은 P형이나 N형 반도체는 재미있는 특성을 가지는 데 작은 전류를 크게 키우는 증폭기능과, 전류를 한쪽 방향으로만 흘리는 정류 작용을 합니다. 이를 활용할 경우 반도체의 논리회로나 증폭기 등으로 사용할 수 있습니다.
그렇다면 이런 P형이나 N형 반도체로 어떻게 트랜지스터를 만들까요. P형과 N형을 하나로 결합한 P-N-P형 반도체나, 이와는 반대로 N-P-N형으로 접합함으로써 트랜지스터를 만들 수 있습니다.
전류는 P에서 N으로만 흐르는 데 N에서 P로 흐르기 위해서는 N형 반도체에 전압을 일정한 수준이상으로 걸어주면 N에서 P로 전류가 흐르면서 증폭이 일어나게 됩니다.
그런데 P형 반도체와 N형 반도체가 결합하면 중간에 전자와 정공이 없는 공간인 공핍층(양이온과 음이온만 존재)이 생깁니다.
왜냐하면 전자와 정공이 그대로 있는 상태에서 P형 반도체의 음이온과 N형 반도체의 양이온이 서로 끌어당겨 중앙으로 몰리면서 공핍층을 만들게 되며, 이것이 장벽 역할을 합니다. 그리고 이 상태에서 양쪽에 전압을(p형은 +전압, n형은 -전압)을 걸어주면 +극에서는 음이온을 당기고, -극에서는 마찬가지로 양이온을 당겨 중앙에 모여있는 양이온과 음이온은 각각 전극을 향해 조금씩 이동하게 만듭니다. 그렇게 되면 중간에 존재하는 공핍층이 얇아지면서 가운데 가로 막고있는 에너지가 낮아져 전자와 정공들이 전기적 흐름을 가지게 됩니다. 이것을 반도체의 순방향 바이어스라고 하며, 그 반대가 역방향 바이어스입니다.
반도체를 설명할 때 전기가 통하는 도체와 전기가 통하지 않는 부도체의 중간 단계라고 흔히 설명합니다. 전기를 통할 수도 통하지 않을 수도 있다는 것이죠. 하지만 반도체의 설명이라고 하기에는 부족하고, 반도체가 어떨 때 전기가 통하고 어떨 때 통하지 않는 지에 대한 이해도 쉽지가 않습니다.
전기가 통한다는 것은 전류가 흐른다는 것을 말하는 것으로 전류를 흐르게 하는 행위는 전하를 나르는 일입니다. 이처럼 전하를 나르는 역할을 하는 것이 캐리어(Carrier)라는 것입니다. 일반적으로 전기는 전자의 흐름으로만 알고 있지만, 사실은 전자와 정공(전자가 비워진 빈공간)이 모두 캐리어로서 전류의 흐름을 만듭니다.
전기를 통하게 하는 것은 들뜬 전자와 정공, 즉 자유전자 혹은 가전자가 만들어내는 것입니다. 자유롭게 돌아다닐 수 있는 이 자유전자(전자ㆍ정공)가 많으면 전류가 잘 흐르는 도체이고, 이같은 전자나 정공이 적으면 전류를 잘 흐르게 하지 못하는 부도체가 되는 것입니다.
반도체는 도체와 부도체의 중간 정도로 자유전자나 가전자가 적당하게 존재하는 것을 말합니다.
주로 반도체의 재료로 사용되는 것이 실리콘이나 게르마늄인데 이들은 형제(전자)가 4명이 있는 4족 원소입니다. 우리가 4인 가족이 가장 안정적이라고 말하지만 원소도 마찬가지입니다. 이들은 서로 결합할 때 8명이 묶이면 가장 안정적인데 이 경우에는 전류가 통하지 않습니다.
순수 실리콘이나 순수 게르마늄으로 만들어진 진성반도체가 전기가 통하지 않는 이유는 이들이 4개의 원자를 가진 4인가족(4족 원소) 구성체로 돼 있어, 들 떠 있는 자유전자나 정공이 없이 너무 안정적이기 때문입니다.
이같은 안정상태를 불안정한 들뜬 상태로 만들기 위해 내부에 분란을 일으킬 필요가 있습니다. 반도체 제조공정에서 불순물을 투입하는 과정이 있는데, 3명의 형제(전자)가 있는 3족 원소(인듐, 갈륨)를 4인 가족 구성체에 투입하면 가장 안정적인 8명의 형제가 아닌 7명의 형제가 되고 1명의 빈자리(정공)가 생기게 됩니다. 이 빈자리가 캐리어로서 전류를 나르게 되는 데 이같은 형태의 반도체를 P형 반도체라고 합니다.
또 순수반도체(4족 원소)에 5명의 형제가 있는 5족원소(안티몬, 비소, 인)를 넣으면 각각 4명이 손을 잡고 나면, 한명의 노는 전자(자유전자)가 발생하는 데 이 자유전자가 캐리어로서 전류를 나르게 됩니다. 이를 N형 반도체라고 하지요.
이같은 P형이나 N형 반도체는 재미있는 특성을 가지는 데 작은 전류를 크게 키우는 증폭기능과, 전류를 한쪽 방향으로만 흘리는 정류 작용을 합니다. 이를 활용할 경우 반도체의 논리회로나 증폭기 등으로 사용할 수 있습니다.
그렇다면 이런 P형이나 N형 반도체로 어떻게 트랜지스터를 만들까요. P형과 N형을 하나로 결합한 P-N-P형 반도체나, 이와는 반대로 N-P-N형으로 접합함으로써 트랜지스터를 만들 수 있습니다.
전류는 P에서 N으로만 흐르는 데 N에서 P로 흐르기 위해서는 N형 반도체에 전압을 일정한 수준이상으로 걸어주면 N에서 P로 전류가 흐르면서 증폭이 일어나게 됩니다.
그런데 P형 반도체와 N형 반도체가 결합하면 중간에 전자와 정공이 없는 공간인 공핍층(양이온과 음이온만 존재)이 생깁니다.
왜냐하면 전자와 정공이 그대로 있는 상태에서 P형 반도체의 음이온과 N형 반도체의 양이온이 서로 끌어당겨 중앙으로 몰리면서 공핍층을 만들게 되며, 이것이 장벽 역할을 합니다. 그리고 이 상태에서 양쪽에 전압을(p형은 +전압, n형은 -전압)을 걸어주면 +극에서는 음이온을 당기고, -극에서는 마찬가지로 양이온을 당겨 중앙에 모여있는 양이온과 음이온은 각각 전극을 향해 조금씩 이동하게 만듭니다. 그렇게 되면 중간에 존재하는 공핍층이 얇아지면서 가운데 가로 막고있는 에너지가 낮아져 전자와 정공들이 전기적 흐름을 가지게 됩니다. 이것을 반도체의 순방향 바이어스라고 하며, 그 반대가 역방향 바이어스입니다.
