Assumptions in ideal voltage-current relationship
• abrupt depletion layer approximation
• Maxwell-Boltzmann approximation
Chapter 8. The pn Junction Diode
Qualitative Description of Charge Flow in a pn Junction
만약 donor 원자들이 완전 이온화가 되었다고 가정하면, nno≈ Nd(n형 영역), npo≈ ni2/Na (p형 영역) 이므로
* p 영역의 소수 캐리어 농도는 n 영역의 다수 캐리어 농도와 연관
2
ln
a2 d iexp
bibi t
i a d
N N n eV
V V
n N N kT
exp exp
po bi bi
po no
no
n eV eV
n n
n kT kT
1. Boundary Conditions
순방향 바이어스, Va
비슷한 방법으로
exp
bi aexp
biexp
aexp
ap no no po
e V V eV eV eV
n n n n
kT kT kT kT
exp
an no
p p eV
kT
1차 근사를 적용하면, neutral (중성) 영역 E = 0
n형 영역 (x > xn) E = 0, g’ = 0
steady state 에서
2
2 n n ' n n ,
p p n n no
po
p p p p
D E g where p p p
x x t
n 0 p t
2
2
2 2
2
2
2 2
0 ( ) ,
0 ( ) ,
n n
n p p po
p
p p
p n n no
n
d p p
x x where L D
dx L
d n n
x x where L D
dx L
2. Minority Carrier Distribution
경계조건 :
소수 캐리어들이 공핍영역의 가장자리에서 중성영역으로 확산되어갈 때 이들은 다수 캐리어들과 재결합되어 사라짐
만약 중성영역의 길이가 확산길이(diffusion length)보다 충분히 크다면 (Wn≫ Ln& Wp ≫ Ln)
Long pn Junction Condition
2차 미분방정식의 일반해는
exp ( )
exp
a
n n no n no
a
p p po p po
p x p eV p x p
kT
n x n eV n x n
kT
exp exp
exp exp
n n no n
p p
p p po p
x x
p x p x p A B for x x
L L
x x
n x n x n C D for x x
L L
경계조건(x ∞, x - ∞)을 적용하면, A = D = 0
exp exp
exp exp exp
exp exp
exp exp exp
n a
n n no no
p
a n n
no no
p p
p a
p p po po
n
p p
a
po po
n n
x eV
p x B p p
L kT
eV x x
B p p
kT L L
x eV
n x C n n
L kT
x x
C n eV n
kT L L
그러므로
소수 캐리어 농도는 접합으로부터 거리가 멀어짐에 따라 다수 캐리어와의 재결합 때문에 지수함수적으로 감소하여 열적평형 상태의 값에 도달함
exp 1 exp exp
exp 1 exp
exp 1 exp
a n
n no
p p
a n
no n
p
a p
p po p
n
eV x x
p x p
kT L L
eV x x
p for x x
kT L
x x
n x n eV for x x
kT L
kT E n E
n n
n
kT E n E
p p
p
Fi Fn
i o
Fp Fi
i o
exp exp
The carrier concentrations are exponential functions of distance
The carrier concentrations are exponential functions of the quasi-Fermi levels
The quasi-Fermi levels are linear functions of distance in the neutral p and n regions
Close to the space charge edge in the p region,
E
Fn– E
Fi> 0 , which means that
n > ni EFn
– E
Fi< 0 , which means that n < n
i and excess electron concentration is approaching zero
전자와 정공에 의한 전류는 연속적이기 때문에 전체 pn 접합 전류는 x=xn에서의 소수 캐리어 정공의 확산 전류와 x=-xp에서의 소수 캐리어 전자의 확산전류의 합이다
exp 1
exp 1
exp 1
n n
p
n p no
n a
p n p p
x x x x p
p n po a
n p n
x x n
p no n po a
d p x eD p
dp x eV
J x eD eD
dx dx L kT
d n x eD n eV
J x eD
dx L kT
eD p eD n eV
J J x J x
3. Ideal pn Junction Current
파라미터 Js를 다음과 같이 정의하면 pn 접합의 전체 전류밀도 J는 다음과 같음
p no n po
s
p n
reverse saturation current density eD p eD n
J L L
exp
a1
s
diode current equation J J eV
kT
소수 캐리어 농도로부터 위치에 따른 전자와 정공의 전류밀도를 계산하면
• 소수 캐리어 확산전류밀도는 n형과 p형의 중성영역에서 지수함수로 감소한다
• pn 접합 전체에서 전체 전류밀도는 항상 일정
• 전체 전류밀도와 소수 캐리어 전류밀도와의 차이는 다수 캐리어 전류밀도의 변화
exp 1 exp
exp 1 exp
p no a n
p n
p p
n po a p
n p
n n
eD p eV x x
J x for x x
L kT L
eD n eV x x
J x for x x
L kT L
4. Summary of Physics
[Example 8.4] 아래의 조건을 만드는 다수 캐리어 전류밀도를 만들기 위한 전계 크기를 구하시오 [조건] Nd= 1016cm-3
Js = 4.15ⅹ10-11A/cm2 T = 300 K
Va= 0.65 V
[해답]
J = J
s[exp(eV
a/kT)-1]
= 4.15ⅹ10
-11ⅹ[exp(0.65/0.0259)-1] ≈ 3.29 A/cm
2E = J
n/e
nN
d= 3.29/(1.6ⅹ10
-19ⅹ1350ⅹ10
16) ≈ 1.52 V/cm
온도가 올라가면 Js 증가 J 증가
이상적인 경우 온도 10도 상승마다 Js는 4배 가량 증가
순방향 전류의 온도에 따른 변화는 역방향 포화전류보다 덜함 5. Temperature Effects
– 저항성 접촉이 x = xn+Wn에 있다고 가정하면 pn(x = xn+Wn) = pno – 미분방정식의 일반해는
Wn « Lp
2
2 n 2n
0
n n noexp
ap
d p p eV
p x p
dx L kT
/ /
( ) ( ) ( )
( ) exp
( ) 0
p p
x L x L
n n n no n
a
n n n no no
n n n n n no no
p x p x p Ae Be x x
x x p x p eV p
kT
x x W p x W p p
x W x
6. The “Short” Diode
소수 캐리어 농도는 거리에 대한 선형함수
sinh exp
sinh
exp " "
sinh
sinh
sinh
( ) exp
n p
n n
p p
n n
p n
n p p
n p
n n n n
p p
n n
p p
a
If W L
W W
L L
x W x
L x x
Long Diode W L
L If W L
x W x x W x
L L
W W
L L
p x p eV
1 x
n W
n x
2
• Wn « Lp이기 때문에 확산 전류밀도는 short diode가 long diode보다 크다 (농도의 gradient가 더 크기 때문에)
• 전류밀도는 일정한 상수이다
• Short diode 영역에서는 소수 캐리어의 재결합이 없다
( )
, exp 1
n
p p
p no a
p
n