PN접합, 에너지 준위에 대해서
안녕하세요. 태양광 윤대리입니다.
오늘은 PN접합, 에너지 준위에 대해서 알아보려고 합니다.
목차
1. 에너지 준위
2. 실리콘, 순수한 반도체
3. 도핑 (불순물 반도체)
4. p-n junction
5. 페르미 준위
6. pn-junction 사례 2가지
1) 태양전지
2) 다이오드
1. 에너지 준위
반도체에 대한 기본원리 중, '에너지 준위'에 대해서 설명하고 넘어가겠습니다.
모든 전자는 에너지 준위를 가지고 있습니다. 에너지 준위란 무엇일까요?
원자와 분자가 갖는 에너지 값을 의미합니다.
그 준위는 같은 원소들이라 할지라도 모두 각각 다른 값을 띕니다. 그래서 층이 생기게 되죠.
이것이 바로 '파울리의 배타원리'입니다. 우리는 이해를 쉽게 하기 위해서, 준위를 '에너지 층'이라고 합시다.
고체는 원자들이 다닥다닥 붙어 있기 때문에, 에너지 준위를 표현해보면 아래와 같은 그림으로 표현할 수 있습니다.
앞서 같은 원자라 할지라도, 준위는 모두 다르다 했습니다. 금속 특성상 같은 원소들이 삼삼오오 뭉쳐있을 것입니다.
따라서, 준위를 나타내는 '에너지 층'도 무수히 많은 선이 빽빽하게 모여져 있을 것입니다.
여러 '에너지 층'들이 모여 하나의 '띠'로 표현한 것이 바로 '에너지 밴드' 입니다.
▽ 아래그림을 보겠습니다. x축은 원자의 개수, y축은 에너지의 크기입니다.
원자의 개수가 많아질수록 '에너지 층'는 촘촘해집니다. 에너지 띠들이 모여 '에너지 띠'를 형성합니다.
아래 그림에서 허용된 띠를 '에너지 띠' 라고 부릅니다.
에너지 띠 중에서 가장 아래에 있는 띠를 '가전자대(원자가 띠)' 라고 합니다.
금지된 띠를 '금지띠(금지대)'라고 부릅니다.
위 그림에 대한 용어 설명이 필요합니다.
① 에너지 띠 : 에너지 밴드와 동일한 의미입니다. 에너지 층들이 모여 에너지 띠를 구성한 것입니다.
② 원자가 띠(가전자대 : Valance band) : 에너지 띠 중에서 가장 안정된 상태입니다.
③ 전도 띠(전도대 : Conduction band) : 에너지 띠 중에서 에너지갭 이상의 에너지를 받은 원자가 금지띠 넘어있는 에너지 띠에 도달하게 됩니다.
에너지를 가지고 있기 때문에 불안정한 상태입니다.
④ 금지 띠 : 원자가 띠와 전도 띠 사이, 준위가 존재하지 않는 구간입니다.
⑤ 에너지 갭 : 원자가 띠에서 전도 띠로 넘어갈 때 필요한 에너지입니다.
에너지 밴드 특징으로, 원자가띠에 전하들이 훨씬 많이 분포하고 있습니다.
일정량 이상의 에너지가 주입되면 전하는 양공과 전자로 분리되고, 전자는 전도대로 뛰어오르게 됩니다.
튀어오르는 전자가 바로 '자유전자'가 되는 것이죠.
일반적인 순수한 반도체는 원자가띠와 전도띠사이의 거리가 멀기 때문에 도체보다 부도체에 가까운 성질을 가집니다.
그래서 우린 순수반도체 그대로 사용하는 것이 아니라, 전기전도성을 높여 작은 에너지에도 전기를 통하게 하기 위해
불순물을 주입하는 도핑 과정을 거칩니다.
2. 실리콘, 순수반도체
태양전지는 어떤 원소로 이루어져 있을까요? 바로 규소(Silicon) 입니다.
순수 반도체는 14족으로 구성할 수 있는데, 대개 Si(실리콘 : 규소)를 사용합니다.
왜냐하면 실리콘은 자원이 풍부하여 가격이 저렴하고, 불순물을 주입하기에도 용이합니다.
어떤 불순물을 첨가하냐에 따라서, 또 얼마큼의 불순물을 첨가하냐에 따라서 전기전도도는 달라집니다.
우리는 반도체의 용도에 맞게 전기전도도를 설정합니다.
3. 도핑
▽ 아래 그림과 함께 설명드리겠습니다.
순수한 반도체는 부도체와 유사한 밴드갭을 지니고 있습니다. 높은 밴드갭 때문에 쉽게 전자가 이동하지 못합니다.
우리는 실리콘과 같은 14족 원소에 불순물을 인위적으로 주입시켜 Carrier를 생성하여, 밴드갭을 낮춥니다.
다음, 불순물 반도체에 대해서 알아보겠습니다.
불순물 반도체에는 불순물에 따라 n형 반도체 p형 반도체로 구분됩니다.
① n형 반도체
15족의 원소를 불순물로 주입합니다. 최외각 전자가 5개이므로 실리콘과 결합할 경우, 하나의 '자유전자'가 발생합니다.
여기서 이 자유전자가 전하나르개(Carrier)로 작용합니다.
▽ 생성된 자유전자는 전도대 바로 아래 위치하여 작은 에너지에도 쉽게 전도대로 진입하게 됩니다.
쉽게 '전도대외곽에 자유전자가 많은 반도체' 라고하면 좋을 것 같네요. 더 어렵나..
② p형 반도체
13족의 원소들은 최외각 전자가 3개이다. 따라서 실리콘과 결합할 경우, 하나의 정공(양공)이 발생하게 됩니다.
여기서 이 정공이 전하나르개(Carrier)로 작용합니다.
▽ 쉽게 표현하면, '가전자대 외곽에 정공이 많이 존재하는 반도체' 라고 하면 될 것 같아요.
다시, 지금부터는 복잡하게 생각할 것 없이,
n형 반도체는 자유전자를 품고있는 반도체, p형 반도체는 양공을 품고있는 반도체라고 생각하면 되겠습니다.
4. p-n junction
그렇다면, P-N junction이라고 불리우는데, 왜 p형 반도체와 n형 반도체가 접합되어야 하는 것일까요?
정답부터 말하자면, 전기를 더 쉽게 흐르게 하기 위함입니다.
그림과 함께 쉽게 알아보도록 할게요!▽ 순수한 반도체입니다.
▽ 여기에 불순물 P(인)을 넣어서 자유전자를 만들어낸 뒤, 불이 들어오는지 확인해 보겠습니다.
불이 들어올까요?
정답은 들어오지 않는다. 입니다.
왜냐하면 극성이 없기 때문이죠.
전기는 항상 +에서 -로 움직입니다.
그러나 위 사진에는 하나의 반도체일 뿐, '극' 이라는 것이 없습니다.
그래서 우린 p형반도체와 n형반도체를 결합하여 극성을 만드는 것입니다.
극성은 어떻게 만드는 건가요?
▽ 아래 사진으로 설명드리겠습니다.
① 정공을 다량 보유한 'P형 반도체'와 자유전자를 다량 보유한 'N형 반도체'가 서로 만납니다.
② 접하는 순간, 정공과 전자가 막 뒤석기다가 2번 그림처럼, 정공과 전자가 만나게 됩니다.
(완전 결합이 아닌, 극성을 공유하는 정도로 가까이 붙습니다.)
③ 극성을 공유했기 때문에 더이상 해당 공간에는 극성을 띄지 않습니다. 밀고 당길 힘이 없는 공간입니다.
그 공간을 우리는 '공핍층' 이라고 부릅니다.
▽ 아래는 제가 이해하기 위해서 예전에 끄적여봤던건데.. 같이 올립니다..ㅎㅎ
5. 페르미 준위
페르미 준위란, 전자가 존재할 확률이 50%인 구간을 의미합니다.
이 말은 즉슨, 양공이 존재할 확률 또한 50%인 구간을 의미합니다.
순수반도체, 즉 진성반도체의 페르미 준위는 어떻게 될까요?
▽ 밴드다이어그램으로 보면 이렇게 됩니다.
즉, 자유전자가 존재할 확률 = 정공이 존재할 확률 을 나타냅니다. 이해가 가시나요?
▽ 불순물반도체, 즉, 도펀드되어 전기전도도가 높아진 반도체는 어떨까요?
먼저, n형반도체 입니다.
자유전자가 전도대 근처에 많기 때문에, 전자가 존재할 확률이 50%가 되는 구간은 상대적으로 위쪽이 되겠죠?
위쪽에 밀집되어있기 때문에, 적은 공간으로도 전자 존재 확률이 50%가 되는 것입니다.
다음은 p형 반도체입니다.
전자가 대부분 가전자대 바로 위쪽에 존재하기 때문에, 아래쪽에 전자가 존재할 확률이 더 높습니다.
자, 두 불순물 반도체를 접합시킬 때, 에너지 밴드 다이어그램은 어떻게 될까요?
아래 그림을 보면, 기준점이 '페르미 준위'인 것을 알 수 있습니다.
확률이지만, 수치를 나타낼수있는 전자존재확률, '페르미준위'를 가지고 기준점을 잡은 것입니다.
* Ev:가전자대 , Ec:전도대, Ef:페르미준위
▽ 두 반도체를 접합시켜보겠습니다.
확산(diffusion)에 의해 자유전자와 정공이 서로 만나게 되고, 더이상 극을 띄지 않는 '공핍층'을 형성합니다.
뿐만 아니라, 에너지 밴드 하나로 이어져 곡선을 띄게 됩니다.
6. pn-junction 실제 사례
1) 태양전지
▽ 자, 예전에 제가 그린 그림입니다. 지저분하죠? ㅎㅎ..
위에 mirim920님 그림은 n형반도체(왼) p형 반도체(오른) 로 그려주셨구요.
저는 반대로 p형과 n형 순으로 그렸습니다. 참고하여 읽어주세요
위와 동일한 그림입니다. p형과 n형이 만나 공핍층이 형성된 상태입니다.
▽ 여기서 태양빛을 가하면 어떻게 될까요?
광전효과에 의해서 '확산되어 재결합한 전자와 양공'들이 서로 분리됩니다.
공핍층이 사라지니, p형과 n형이 서로 상대되는 명확한 극을 나타내게 되는 것이죠.
거기에 부하를 연결하면, n형반도체의 자유전자가 p형 반도체로 이동합니다.
즉, 전류가 흐르는 것이죠. 이것이 태양전지의 발전원리가 됩니다.
2) 다이오드
다이오드는 순방향으로만 흐르게 하는 회로소자입니다.
원리는 다이오드도 또오옥 같습니다.
▽ 아래와 같이 pn-junction이 된 반도체가 있습니다.
① 순방향 바이어스
▽ 전원 (+)측에서 (+)를 공급하여 p형 반도체에 양공을 밀어냅니다.
반대로, 전원 (-)측에서 (-)를 공급하여 n형 반도체에 자유전자를 밀어냅니다.
척력으로 인해 공핍층은 얇아집니다.
▽ 실제로, 정공은 전자의 이동 매개체입니다. 자유전자는 사람, 정공은 돌다리로 볼 수 있겠지요.
서로 밀어내는 drift에 의해 전자는 정공을 만날 수 있습니다. 즉, 자유전자가 이동할 수 있습니다.
② 역전압 바이어스
▽ 전압이 반대로 걸려있습니다.
▽ 전원 (+)측에서 (+)를 공급하여 n형 반도체에 도달합니다.
반대로, 전원 (-)측에서 (-)를 공급하여 p형 반도체에 도달합니다.
t=1 아직까진 변화가 보이지 않습니다.
▽ 전원(-)측에서 공급한 전자와 p형 반도체의 양공이 인력에 의해 붙습니다.
또, 전원(+)측에서 공급한 양공과 n형 반도체의 전자가 인력에 의해 붙습니다.
인력으로 인해 공핍층은 넓어집니다. 전기는 흐를 수 없습니다.
오늘은 여기서 블로그를 마치도록 하겠습니다. 틀린내용이 있으면 공유주시면 감사하겠습니다.
읽어주셔서 감사합니다
[셀,모듈] 태양전지 셀에 대해서
태양전지 셀에 대해서 안녕하세요. 태양광 윤대리입니다. 오늘은 태양전지 셀에 대해서 알아보고자 합니다. 목차 1. 태양전지 , 태양광 모듈 구조 2. 태양전지 종류 1. 태양전지 , 태양광 모듈 구
22tomorrow.tistory.com
[셀,모듈] 태양광 핫스팟에 대해서, 태양광 병목현상이란?
태양광 핫스팟에 대해서, 태양광 병목현상이란? 셀 일부가 음영이 지면 전체 전류가 떨어지는 이유? 음영구간에 온도가 높아지는 이유? 열점(핫스팟)이란? 안녕하세요. 태양광 윤대리입니다. 오
22tomorrow.tistory.com
[셀,모듈] 바이패스 다이오드 원리 , 태양광 모듈 정션박스는 뭘까?
바이패스 다이오드 원리, 태양광 모듈 정션박스에 대해서 안녕하세요. 태양광 윤대리입니다. 오늘은 모듈 정션박스에 존재하는 바이패스 다이오드에 대해 알아보겠습니다. 목차 1.태양광 모듈
22tomorrow.tistory.com
'■ 셀·모듈' 카테고리의 다른 글
| [셀,모듈] 태양광 핫스팟에 대해서, 태양광 병목현상이란? (0) | 2023.10.09 |
|---|---|
| [셀,모듈] 태양전지에 대해서 (0) | 2023.10.09 |
| [셀,모듈] 태양전지 셀의 전압은 얼마일까? (0) | 2023.10.08 |
| [셀,모듈] 태양광 모듈과 온도와의 관계 (1) | 2023.10.03 |
| [셀,모듈] 태양광 모듈 전기 생산 원리는? 태양전지 셀 광전효과 (0) | 2023.10.03 |
