PN 접합이란? 다이오드 기본 구조

2026년 8월 29일 읽는 시간 약 5분

PN 접합이란 P형과 N형 반도체가 만나 형성되는 반도체의 기본 구조입니다. PN 접합에서 공핍층과 전위 장벽이 생기는 과정부터 순방향·역방향 전압에 따라 다이오드 전류가 달라지는 원리를 알아봅니다.

PN 접합이란 어떻게 만들어질까?

PN 접합(PN Junction)은 P형 반도체와 N형 반도체가 하나의 결정 내부에서 서로 맞닿도록 형성한 구조입니다. P형 반도체에는 정공(Hole)이 다수 캐리어로 존재하고 N형 반도체에는 전자(Electron)가 다수 캐리어로 존재합니다. 실제 반도체 제조에서는 단순히 두 개의 반도체 조각을 붙이는 것이 아니라 실리콘 웨이퍼의 특정 영역에 도너(Donor)와 억셉터(Acceptor)를 도핑해 P형과 N형 영역을 형성합니다. 두 영역이 만나면 접합부를 중심으로 캐리어 농도에 큰 차이가 생깁니다. N형 영역에는 전자가 많고 P형 영역에는 정공이 많기 때문에 전자는 N형에서 P형으로, 정공은 P형에서 N형으로 확산(Diffusion)하기 시작합니다. 접합부를 넘어간 전자와 정공은 서로 만나 재결합(Recombination)하며 이동 가능한 캐리어의 수가 감소합니다. 이러한 초기 캐리어 이동이 PN 접합 특성을 결정하는 공핍층과 내부 전기장을 형성하는 출발점이 됩니다.

공핍층과 전위 장벽은 왜 생기는 것일까?

PN 접합부에서 전자와 정공이 확산하고 재결합하면 접합 주변에는 이동 가능한 캐리어가 부족한 영역이 만들어집니다. 이를 공핍층(Depletion Region)이라고 합니다. N형 영역에서 전자가 빠져나간 자리에는 양전하를 띤 이온화된 도너가 남고, P형 영역에서는 정공이 줄어들면서 음전하를 띤 이온화된 억셉터가 드러납니다. 이 고정된 전하들은 접합부 내부에 전기장(Electric Field)을 형성합니다. 내부 전기장은 다수 캐리어의 추가적인 확산을 방해하는 방향으로 작용하며 결과적으로 접합부에는 전위 장벽(Potential Barrier)이 만들어집니다. 시간이 지나 열평형 상태에 도달하면 농도 차이에 의한 확산과 내부 전기장에 의한 드리프트(Drift)가 균형을 이루게 됩니다. 따라서 외부에서 전압을 인가하지 않은 PN 접합에서는 한쪽 방향으로 지속적인 순전류가 흐르지 않습니다. 공핍층의 폭과 전위 분포는 P형·N형 영역의 도핑 농도와 반도체 재료, 온도 등의 조건에 따라 달라질 수 있습니다.

순방향 전압에서는 왜 다이오드에 전류가 흐를까?

PN 접합의 P형 영역에 상대적으로 높은 전위를, N형 영역에 낮은 전위를 연결하는 것을 순방향 바이어스(Forward Bias)라고 합니다. 외부 전압이 내부 전위 장벽을 낮추는 방향으로 작용하면 공핍층의 폭이 감소하고 다수 캐리어가 접합부를 넘어가기 쉬워집니다. N형의 전자는 P형 영역으로 주입되고 P형의 정공은 N형 영역으로 주입되면서 전류가 빠르게 증가합니다. 실리콘 다이오드를 설명할 때 약 0.7V를 순방향 전압의 대표적인 값으로 많이 사용하지만, 다이오드가 정확히 0.7V에서 갑자기 켜지는 스위치라고 이해해서는 안 됩니다. 실제 전류와 전압은 연속적인 관계를 가지며 순방향 전압 강하는 흐르는 전류와 온도, 소자의 구조 등에 따라 달라집니다. 즉 순방향 바이어스의 핵심은 외부 전압이 PN 접합의 장벽을 낮춰 캐리어가 접합부를 통과하기 쉬운 조건을 만든다는 데 있습니다.

역방향 전압에서는 왜 전류가 거의 흐르지 않을까?

P형 영역에 상대적으로 낮은 전위를 연결하고 N형 영역에 높은 전위를 인가하면 역방향 바이어스(Reverse Bias)가 됩니다. 이때 외부 전압은 PN 접합의 내부 전기장을 강화하는 방향으로 작용하기 때문에 공핍층이 넓어지고 다수 캐리어가 접합부를 통과하기 어려워집니다. 따라서 정상적인 역방향 조건에서는 매우 작은 누설전류만 흐르게 됩니다. 이 특성 때문에 PN 접합 다이오드는 전류를 한 방향으로 주로 흐르게 하는 정류 기능을 수행할 수 있습니다. 그러나 역방향 전압을 계속 높이면 어느 지점에서 항복(Breakdown)이 발생하여 역방향 전류가 크게 증가할 수 있습니다. 항복에는 대표적으로 Zener Breakdown과 Avalanche Breakdown이 있으며 소자의 구조와 도핑 조건 등에 따라 특성이 달라집니다. 일반 다이오드는 허용 가능한 역전압을 초과하지 않도록 사용해야 하지만 제너 다이오드처럼 항복 영역을 의도적으로 이용하도록 설계된 소자도 있습니다. PN 접합의 이러한 순방향과 역방향 특성이 다이오드 동작의 가장 기본적인 원리입니다.