반도체 응용기술

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2017. 1^st semester 2^nd class

Jihoon Jang

반도체 응용기술

Diode

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1. pn junction

■ 다이오드 (diode) 란?

1) 주로 한쪽 방향으로 전류가 흐르도록 제어하는 반도체 소자 2) 정류, 발광 등의 특성을 가짐

3) 대부분의 다이오드는 pn 접합으로 이루어짐

4) 종류 : 정류 다이오드, 검파 다이오드, 정전압 다이오드(breakdown diode), 정전류 다이오드, 쇼트키 다이오드, 발광 다이오드,

광 다이오드…

태양전지도 다이오드의 일종

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■ PN 접합의 기본 이론

: 반도체 전체 영역은 단결정 물질로 가정

: 한쪽은 억셉터 (p형 반도체)로, 한쪽은 도너(n형 반도체)로 도핑 : n 영역과 p 영역의 접촉면이 분리되는 계면이 존재

→ metallurgical junction

: (Metallurgical junction 부근의) p형 반도체의 정공은 n형 반도체로 이동, n형 반도체의 전자는 p형 반도체로 이동 (계속적 진행은 되지 않음)

pn 접합의 정성적 이해

1. pn junction

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■ 공간전하영역 (space charge region) 의 생성 (= 공핍영역(depletion region))

1) p형 반도체 내에는 음으로 대전된 억셉터 원자가 남는다. 2) n형 반도체 내에는 양으로 대전된

도너 원자가 남는다.

3) n 영역에서 p 영역으로 전계 생성

→ 공간전하영역

4) 전계에 의해서 모든 전자와 정공은 공간전하영역 밖으로 없어지게 된다.

→ 공핍영역

5) 내부 전기장, 내부 전위차의 발생

1. pn junction

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■ 내부전위장벽 (built-in potential barrier)

- n 영역의 전도대에 있는 전자가 p 영역으로 이동하려고 할 때의 전위장벽 혹은 p 영역의 가전자대에 있는 정공이 n 영역으로 이동할 때의 전위장벽

제로 인가 바이어스에서 pn 접합 밴드 다이어그램 및 내부전위장벽

1. pn junction

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■ 바이어스 극성에 따른 pn 접합 전류 이해

제로 인가 바이어스 역방향 인가 바이어스 순방향 인가 바이어스

1. pn junction

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■ 바이어스 극성에 따른 pn 접합 전류 이해

1) 순방향 바이어스

- p형으로 정공, n형으로 전자 주입

→ 전자, 정공의 확산 - 순방향 바이어스 : Va

- 내부전위장벽 : 감소 (V_bi - V_a)

→ E_Fp < E_Fn

- 전위장벽이 낮아지기 때문에 전자, 정공의 흐름이 쉬워진다.

- 공핍층 두께 : 감소

순방향 인가 바이어스

1. pn junction

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■ 바이어스 극성에 따른 pn 접합 전류 이해

2) 역방향 바이어스

- p형으로 정공, n형으로 전자 주입

→ 전자, 정공의 재결합

→ 공핍층 근처의 전자, 정공의 확산 - 순방향 바이어스 : V_R

- 내부전위장벽 : 증가 (V_bi + V_R)

→ E_Fp > E_Fn

- 전위장벽이 높아지기 때문에 전자, 정공의 흐름이 더욱 어려워진다. - 공핍층 두께 : 증가

역방향 인가 바이어스

1. pn junction

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■ 접합 항복 (junction breakdown)

: 역바이어스 전압을 인가하여 전류가 발생할 수 있는 경우 (큰 바이어스 전압 필요) : 대표적으로 제너 항복(Zener breakdown) 과

애벌런치 항복 (avalanche breakdown) 이 있음 - 제너 항복 : 터널링(tunneling) 효과

- 애벌런치 항복 : 전계에 의한 새로운 전자-정공쌍의 생성

2. Junction breakdown

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■ 이상적인 다이오드를 위한 기본 가정

1. 계단형 공핍층 근사를 적용

: 공간전하 영역은 계단형 경계, 공핍영역 밖에서의 반도체는 중성 2. Maxwell-Boltzmann 근사를 캐리어 통계에 적용

3. 저 주입 개념을 적용 (Nd >> δn, N_a >> δp) 4a. 총 전류는 모든 pn 구조에 걸쳐서 일정

4b. 각각의 전자 및 정공 전류는 pn 구조에 걸쳐서 연속함수 4c. 각각의 전자 및 정공 전류는 공핍영역에 걸쳐서 일정

3. Ideal diode equation

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■ 순방향 바이어스 인가시 소수 캐리어 농도

전위장벽 감소 → 인가된 전압은 접합영역에 걸림

→ 순수한 전계는 열평형값 이하로 감소

→ p 영역의 정공은 n 영역으로, n 영역의 전자는 p 영역으로 주입

→ pn 접합에 전류 생성 (소수 캐리어에 의한 전류) V_a

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■ 순방향 바이어스 인가시 소수 캐리어 농도

p 영역의 정공은 n 영역으로, n 영역의 전자는 p 영역으로 주입

→ 확산 및 재결합 (6장)

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■ 소수 캐리어의 확산

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■ 소수 캐리어의 확산

if) 중성의 반도체 영역에서 전계는 0 → x > x_n 에서 E = 0, g’ = 0 정상상태 →

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■ 소수 캐리어의 확산

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■ 소수 캐리어의 확산

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■ 소수 캐리어 확산 전류

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■ 이상적인 pn접합 전류 (이상적인 다이오드 방정식)

역포화 전류밀도

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■ 이상적인 pn접합 전류 (이상적인 다이오드 방정식)

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■ 이상적인 pn접합 전류 (이상적인 다이오드 방정식)

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감사합니다

■ 참고 문헌

1. Semiconductor physics and deices (4^th edition)

: Donald A. Neamen, McGraw-Hill Higher Education, 241 ~ 294 page