P-N 접합

교실 두 개가 문 하나를 사이에 두고 나란히 붙어 있다고 상상해 볼게요. 왼쪽 교실은 의자보다 학생이 많아서 앉지 못한 아이들이 통로를 돌아다녀요. 오른쪽 교실은 반대로 학생보다 의자가 많아서 빈자리가 여기저기 남아 있어요.

반도체도 재료를 살짝 손보면 이런 두 가지 성격으로 만들 수 있어요. 자유롭게 움직이는 전자가 남는 쪽을 N형, 전자가 빠져나간 빈자리가 남는 쪽을 P형이라고 불러요. 이 빈자리를 정공이라고 부르는데, 전자가 앉을 수 있는 빈 의자라고 보면 돼요.

두 교실 사이의 문을 활짝 열면 무슨 일이 벌어질까요? 서 있던 학생들이 경계를 넘어가 가까운 빈 의자에 하나둘 앉아 버려요. 그래서 경계 근처에는 돌아다니는 학생도 앉을 빈 의자도 남지 않은 텅 빈 띠가 생겨요.

이 띠에는 전기를 나를 알갱이가 없어서 전기가 지나가기 어려워요. 게다가 학생들이 오른쪽으로 넘어간 탓에 오른쪽은 음의 기운을, 왼쪽은 양의 기운을 띠게 돼요. 이 기운이 뒤늦게 넘어오려는 학생을 도로 밀어내면서 띠는 일정한 두께에서 멈춰요.

이제 이 두 교실에 전지를 이어 볼게요. 전지의 플러스 쪽을 빈 의자가 많은 P형에, 마이너스 쪽을 학생이 많은 N형에 연결해요. 그러면 전지가 양쪽에서 학생과 빈 의자를 경계 쪽으로 밀어 줘요.

밀린 만큼 텅 빈 띠는 얇아져요. 띠가 충분히 얇아지면 학생들이 경계를 넘어 옆 교실의 빈 의자로 계속 옮겨 앉기 시작해요. 이렇게 줄줄이 이어지는 이동이 바로 우리가 말하는 전류예요.

전지를 반대로 연결하면 이야기가 뒤집혀요. 이번에는 전지가 학생과 빈 의자를 경계에서 멀어지는 쪽으로 끌어당겨요. 그 결과 텅 빈 띠는 오히려 더 두꺼워지고, 넘어갈 수 있는 학생이 거의 없어서 전기가 막혀요.

연결 방향만 바꿨을 뿐인데 잘 통하던 길이 막혀 버리는 셈이에요. 이 성질 덕분에 접합은 전기를 한 방향으로만 통과시키는 문이 돼요.

교실 이야기에서 빈 의자가 스스로 걸어 다니는 것처럼 말했지만, 실제로 자리를 옮기는 것은 학생이에요. 학생이 옆 빈자리로 한 칸 옮겨 앉으면 빈자리는 반대쪽으로 한 칸 밀려나요. 정공이 움직인다는 말은 이렇게 빈자리가 옮겨 가는 모습을 줄여 부르는 표현이에요.

조금 더 정확히 말하면, 전지를 맞는 방향으로 이어도 곧바로 전기가 콸콸 흐르지는 않아요. 남아 있는 띠를 밀어내려면 어느 정도 크기의 전압이 필요하거든요. 그 문턱을 넘어서야 비로소 전류가 눈에 띄게 흘러요.

반대 방향으로 이었을 때 전류가 딱 0이 되는 것도 아니에요. 아주 적은 양이 새어 나가고, 전압을 지나치게 높이면 띠가 버티지 못하고 무너지기도 해요. 그래도 한쪽은 잘 통하고 반대쪽은 거의 막힌다는 교실 이야기의 큰 그림은 흔들리지 않아요.