[반도체]확산(diffusion), PN 접합

확산 전류
드리프트 전류에 추가하여, 확산 전류(diffusion current)라고 하는 두 번째 성분의 전류가 있다. 금속은 매우 높은 전도도를 갖기 때문에 일반적으로 확산 전류는 금속에서 중요한 고려 사항이 되지는 않는다. 낮은 전도도의 경우와 불균일한 캐리어 농도 분포를 만들기 쉬운 경우에는 확산이 반도체 내에서 중요한 한과정이 된다.
확산(diffusion)은 입자들의 열 운동으로 인해 발생하는 현상이다. 확산은
상대적으로 더 높은 입자 농도를 갖는 지점에서 상대적으로 더 낮은 농도의 지점을 향해서 입자들이 움직여 가는 친숙한 과정이다. 한 잔 커피의 향기는 향기 분자들이 공기 중으로 확산되는 방식으로 방안으로 퍼져나간다. 또한 맑은 수프 접시 내에서 한 방울의 간장이 펴져나가는 것도 학산에 의한 것이다.

확산에 의해 입자가 이동하는 비율은 농도 기울기에 비례한다고 알려져 있다. 만약 전자 농도가 균일하지 않다고 하면 전자 확산 전류가 존재하게 될 것이고, 이 전류는 전자 농도의 기울기에 비례한다.


PN 접합
PN 접합은 p형 기판 속으로 도너(donor)를 주입하거나 확산시켜 반도체 층이 N형으로 반전되도록 하여 제조할 수 있다.
또한 N형 반도체 층을 억셉터를 이용하여 P형으로 반전시킴으로써 PN 접합을 생성시킬 수도 있다.
PN 접합은 정류성의 전류-전압(I-V 혹은 IV) 특성을 갖는다. 이러한 소자를 정류기(rectifier) 혹은 다이오드(diode)라고 부른다. PN 접합은 태양전지, 발광다이오드, 다이오드 레이저의 기본 구조가 되고, 모든 형태의 트랜지스터에 존재한다. 게다가, PN접합은 트랜지스터를 이해하는 데 중요한 공핍층, 유사평형 경계 조건, 연속 방정식, 그리고 기타 다른 도구 및 개념의 이론적 학습을 위한 도구가 된다.

PN 접합 이론의 기초적 요소
 P층과 N층은 각각 억셉터 농도 Na와 도너 농도 Nd로 균일하게 도핑되었다고 가정하면 이상적인 PN 접합을 계단 접합(step junction) 혹은 가파른 접합(abrupt junction)이라고 한다.

PN 접합의 에너지 밴드 다이어그램과 공핍층
평형상태 혹은 제로 바이어스 전압에서 PN 접합의 개략적 에너지 밴드 다이어그램을 구성해 보자. 평형상태에서는 단 하나의 페르미 준위(Fermi level)만 존재하기 때문에 E에 해당하는 수평선을 그린다. 접합으로부터 먼 곳에서는
단순하게, 한쪽에는 N형 반도체를 갖고 다른 한 쪽에는 P형 반도체를 갖
는 것을 보여준다.
내부 전위는 두 개의 서로 다른 물질이 경계면을 이루는 경우에는 언제나 존재하는데, 이것은 직접 측정하는 것이 어렵기 때문에 우리는 보통 눈치채지 못한다.