전기전자재료 전기전자재료

전기전자재료

7 반도체

7.4 반도체 디바이스의 기초

(1) 다이오드와 정류성

P-n접합의 대표적인 응용 예는 다이오드 로써 그 특징 중의 하나는 전압-전류특성 에 정류성을 갖는 것이다.

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(1) 다이오드와 정류성

제로 바이어스의 경우, 내부전계에 의해서 전위차 V가 생기기 때문에 접합부에는 전류가 전혀 흐르지 않 는다.

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(1) 다이오드와 정류성

순방향 바이어스의 경우, 내부전계 보다 외부전계가 커지기 때문에 캐 리어의 상대적 확산에 의해서 전류 가 흐르게 된다.

이때 전류는 지수함수적으로 증가한 다.

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(1) 다이오드와 정류성

역방향 바이어스의 경우, 외부전계 의 방향이 내부전계방향과 같아지기 때문에 공핍층이 더욱 넓어져서 캐 리어의 확산이 더 어렵게 된다. 따라 서 전류가 거의 흐르지 않는다.

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(1) 다이오드와 정류성

이상적 다이오드의 전압-전류특성

포화전류값 Is

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(1) 다이오드와 정류성

Φ_M>Φ_S인 경우 : 쇼트키접합

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(1) 다이오드와 정류성

제너항복(zener breakdown)

불순물 농도가 큰 경우 (제너항복)

불순물 농도가 적은 경우 (전자사태항복)

불순물 농도가 큰 경우에는 공핍충이 얇기 때문에 전자의파동성에 의한 터널효과가 나타난다. 제너항복)

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(1) 다이오드와 정류성

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(1) 다이오드와 정류성

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(1) 다이오드와 정류성

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(1) 다이오드와 정류성

7 반도체

7.4 반도체 디바이스의 기초

(2) 광기전력 효과

pn접합에 빛을 조사하면 광에너지에 의해서 생성된 전자와 정공은 공핍층의 내부전계 로부터 힘을 받아아 전자는 n측으로 정공은 p측으로 이동하므로 전류가 흐른다.

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(2) 광기전력 효과

(b) 태양광 스펙트럼과 반도체 Eg (a) 에너지밴드 그림

그림 1.34 태양전지와 포토다이오드는 빛에 의해 생성한 전자와 정공쌍을 PN 접합의 내부전계에 의해 좌우로 분리되는 것을 이용

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(3) 바이폴라 트랜지스터

7 반도체

7.4 반도체 디바이스의 기초

(3) 바이폴라 트랜지스터

7 반도체

7.4 반도체 디바이스의 기초

(3) 바이폴라 트랜지스터

바이폴라 트랜지스터의 증폭작용

컬렉터

역방향 바이어스

이미터

순방향 바이어스

이미터 – 베이스-컬렉터로 전자가 움직인다.

이미터 – 베이스로 전자가 움직인다.

이때 전류는 작은 전 압에 대해 지수함수 적으로 증가한다.

대부분 전자는 베이스를 통 과해 컬렉터로 이동한다.

컬렉터에 역방향전압(+)이 걸리므로 큰 전위차로 인해 전자의 에너지가 증가된다.

결국, 작은 신호 에 대해서 큰 전류를 얻을 수가 있다. → 증폭작용

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(3) 바이폴라 트랜지스터

바이폴라 트랜지스터의 증폭작용

컬렉터

역방향 바이어스

이미터

순방향 바이어스

베이스 이미터

컬렉터

약간의 전압증가로 전자주입이 지수적으 로 증가

역바이어스 전압 으로 신호증폭 에너지 획득

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(4) MOSFET

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor-Field Effect Transistor) 는 금속 산화물 반도 체 전계효과 트랜지스터를 말한다. 현재 반도체 집적회로에서 가장 중요한 소자 중의 하 나이다.

소스(S) : 전자의 공급원 드레인(D) : 전자흐름의 출구

게이트(G) : 실리콘 표면에 산화막 형성 체널을 개폐하는 작용

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(4) MOSFET

게이트 G에 (+)전압을 걸면. P형기판 내의 다수 캐리어인 정공이 밀려나면서 소수 캐리어인 전자가 이 공간에 몰려 들어 공핍층을 형성한다.

게이트 전압이 높아지면, 정공이 밀려나서 실리콘 표면의 전자농도는 증가하게 되고 정공농도는 감소하게 된다.

따라서 어떤 전압 이상이 되면 양적으로 정공과 전자의 농도가 역전하게 되는데 이 전압이 문턱전압(Threshold Voltage) V_TH이며 이 영역을 반전층이라 한다. → 원래기판은 P형이었는데 반도체표면만은 N형으로 바뀐 것이다.

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7.4 반도체 디바이스의 기초

(4) MOSFET

즉, P형 substrate의 다수캐리어는 정공인데 채널영역에 소수캐리어인 전자가 모여 있기 때문이 반전층이라 부른다.

N형으로 반전된 영역에 같은 N형인 소스와 드레인이 연결되므로 MOSFET의 채널이 형성된다.

결국 게이트전압으로 반전시키는 전하량을 제어하므로써 채널저항을 제어하는 것이다.

이 문턱전압보다 게이트 전압을 크게 해 주어야 전류가 흐를 수 있다. 일반적으로 MOSFET는 대략 0.6~0.7V의 문턱전압을 갖는다.

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7.5 열전기현상

고온부 측의 열 운동이 활발해진 전자가 저온부 측으로 빠르게 이동함으로써 (확산현상), 고온부 측으로부터 저온부 측으로 전류가 흐르는 현상이 생기게 된다.

열적작용으로 고온부는 정공(+), 저온부는 전자(-)로 대전된 상태가 됨으로써 전위차(voltage difference)가 생겨나게 된다.

(1) Seebeck Effect

열운동에 의한 전자의 이동현상

7 반도체

7.5 열전기현상

열전대

(2) 열전대

두종의 금속을 접속하고 접속부의 양단에 온도차가 생기면 열기전력이 발생하는(제백효과) 것을 이용하여 온도를 측정하는 소자를 말한다.

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7.5 열전기현상

가열된 금속플레이트에서 에너지를 얻은 자유전자는 정공이 다수인 P형 반도체 쪽 으로 이동한다.

가열된 금속 플레이트는 P형 반도체에 전자를 내주었으므로, 전자가 부족하게 되고, 이 부족분을 N형 반도체에서 끌어오게 된다.

이러한 과정을 거치면, 회로가 연결되어 있는 양 전극간에는 전위차가 발생해서 결국 N 형 반도체 쪽에서 P형 반도체 쪽으로 흘러 들어가는 전류가 발생하는 것이다.

(3) P-N소자의 Seebeck Effect

전자

+

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7.5 열전기현상

제에벡 효과에 의해서 발생하는 전류는 가해주는 열량에 비례한다.

(3) P-N소자의 Seebeck Effect

7 반도체

7.5 열전기현상

(2) Peltier Effect

펠티어 효과는 제벡 효과와 반대되는 효과이다.

제백 효과 : 열에너지 → 전류로 변환 펠티어 효과 : 전류 → 열에너지로 변환

외부에서 전압을 인가하면,

전자가 C-B로 움직이므로 C-B 판에 열이 발생하고 A-D판에는 냉각이 된다

여기서, 전류가 흐르는 방향을 바꾸면 전자 및 정공의 흐름도 뒤바뀌게 되며, 결과적으로 열을 방출/흡수하는 과정이 반대로 변한다.

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7.5 열전기현상

(4) Peltier Effect

펠티어 소자

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7.6 자계에 의한 효과

Hall Effect

반도체를 흐르는 캐리어의 이동방향과 직각으로 자계를 가하면 캐리어의 진로가 변화되면서 전기저항이 증가한다(자기저항효과). 이 결과로 캐리어의 운동방향과 직각방향으로 기전력이 발생하는 것을 홀효과라 한다.

반도체 내의 전자와 정공을 서로 반대방향으로 움직이게 되므로 양단에 기전력이 발생한다.

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7.6 자계에 의한 효과

Hall Effect

Hall 효과에 의해 발생된 홀 기전력 V_H는 다음 식으로 나타낸다.

(1.38)

홀상수 R_H는 반도체 내의 캐리어 농도에 의존한다.

(1.39)

7 반도체

7.6 자계에 의한 효과

Hall Effect

N형 반도체의 경우, 저항이 증가하는 비율은 다음 식으로 나타낸다.

(1.40)