2016년 1학기 6
thclass
장 지 훈
전기재료
pn 접합
1. PN 접합의 기본구조
■ 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)
1. PN 접합의 기본구조
■ 공간전하영역(space charge region) 의 생성 (= 공핍영역(depletion region))
- p형 반도체 내에는 음으로 대전된 억셉터 원자가 남는다.
- n형 반도체 내에는 양으로 대전된 도너 원자가 남는다.
- n 영역에서 p 영역으로 전계 생성 → 공간전하영역
- 전계에 의해서 모든 전자와 정공은 공간전하영역 밖으로 없어지게 된다.
→ 공핍영역
- 내부 전기장, 내부 전위차의 발생
2. 제로 인가 바이어스에서 pn 접합
■ 제로 인가 바이어스 상태
- 어떠한 전류도 흐르지 않고 외부에 어떠한 힘도 인가시키지 않은 열평형상태 - 페르미 준위가 시스템 전체 영역에서 일정한 열평형에 있게됨.
2. 제로 인가 바이어스에서 pn 접합
■ 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
2. 제로 인가 바이어스에서 pn 접합
■ 공간전하밀도
- 공핍층 내에 전하 밀도 - 프와송 방정식을 통해서
전위, 전계, 전하밀도에 대한 값을 구할 수 있다.
(전하밀도 → 전계 → 전위)
- 면적 동일 → 공간전하밀도 동일
프와송 방정식
2. 제로 인가 바이어스에서 pn 접합
■ 전계 (전기장 분포)
- 전계는 전하밀도를 적분하여 구할 수 있다.
- Junction에서 최대값
2. 제로 인가 바이어스에서 pn 접합
■ 전위 (전기의 적분에 음의 부호)
- 전위는 전계를 적분함으로써 구할 수 있다.
- 전위：전계 내에서 전하가 갖는 전기적인 위치 에너지
2. 제로 인가 바이어스에서 pn 접합
■ 공핍층의 폭 (depletion width)
-
도핑 농도 증가 공핍층 폭 감소 도핑 농도 증가 내부 전위차 증가 도핑 농도 증가 내부 전기장 증가
3. 바이어스 인가 pn 접합
■ 바이어스 극성에 따른 pn 접합 전류 이해
제로 인가 바이어스 역방향 인가 바이어스 순방향 인가 바이어스
3. 바이어스 인가 pn 접합
■ 순방향 바이어스에 따른 pn 접합
- p형으로 정공, n형으로 전자 주입 → 전자, 정공의 확산
- 순방향 바이어스 : Va
- 내부전위장벽 : 감소 (Vbi - Va) → EFp < EFn
- 전위장벽이 낮아지기 때문에 전자, 정공의 흐름이 쉬워진다.
- 공핍층 두께 : 감소
순방향 인가 바이어스
3. 바이어스 인가 pn 접합
■ 역방향 바이어스에 따른 pn 접합
- p형으로 정공, n형으로 전자 주입
→ 전자, 정공의 재결합 → 공핍층 근처의 전자, 정공의 확산
- 순방향 바이어스 : VR
- 내부전위장벽 : 증가 (Vbi + VR) → EFp > EFn
- 전위장벽이 높아지기 때문에 전자, 정공의 흐름이 더욱 어려워진다.
- 공핍층 두께 : 증가
역방향 인가 바이어스
3. 바이어스 인가 pn 접합
■ 역방향 바이어스에 따른 pn 접합
3. 바이어스 인가 pn 접합
■ 일방 접합 (ond sided junction)
- 한 타입의 농도가 매우 높은 형태의 접합 → if, Na >> Nd : p+n 접합
4. 접합 항복 (breakdown)
■ 접합 항복 (junction breakdown)
- 역바이어스 전압을 무제한적으로 증가 할 수 있는 경우
- 제너 항복(Zener breakdown) 과 애벌런치 항복 (avalanche breakdown) 으로 나뉨
- 제너 항복 : 터널링(tunneling) 효과
- 애벌런치 항복 : 전계에 의한 새로운 전자-정공쌍의 생성
4. 접합 항복 (breakdown)
■ 제너 항복
- 강하게 도핑된 접합에서 발생 - 전도대와 가전자대가 매우 가깝게 발생
→ 전자 혹은 정공의 터널링 발생 - 그림 7.12 (a) 의 이해
- 응용 : 제너 다이오드
4. 접합 항복 (breakdown)
■ 애벌런치 항복
- 공간전하영역을 건너 움직이는 전자나 정공이 전계에 의해 충분한 에너지를 얻음
→ 공핍층 내에서 원자적 전자와 충돌하여 새로운 전자-정공쌍 형성 → 역바이어스 전류 증가 및 새로운 전자-정공쌍이
또 다른 전자-정공쌍 형성 - 대부분의 pn 접합의 지배적인 항복 매커니즘
- 응용 : 애벌런치 광 다이오드
5. 다수 캐리어 & 소수 캐리어
■ 열평형 상태에서의 다수 캐리어 농도
5. 다수 캐리어 & 소수 캐리어
■ 열평형 상태에서의 소수 캐리어 농도 (공간전하 영역 끝)
5. 다수 캐리어 & 소수 캐리어
■ 순방향 인가 pn접합에서 소수 캐리어의 확산
→ 소수 캐리어 확산에 의한 전류밀도 생성
5. 다수 캐리어 & 소수 캐리어
■ 소수 캐리어 확산전류
5. 다수 캐리어 & 소수 캐리어
■ 공핍층 내부에서의 전류 분포
5. 다수 캐리어 & 소수 캐리어
■ 이상적인 다이오드 방정식
- 다이오드 전체 전류 : 정공의 전류 + 전자의 전류
