[반도체공학] 6.1. PN Ideal Characteristics

1. I-V Characteristics : Qualitative Analysis

1. Ideal pn Diode Operation

• 이상적인 p-n접합 : 정방향 전압을 걸어줄 때만 전류가 흐름
  • $I=I_0(e^{V_A/V_T}-1)$
  • $I_0\simeq10^{-14}A$
  • $V_T=kT/q\simeq0.0259V$
  • pn junction은 저항으로 동작하지 않는다.

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• 정량적 분석
  

  

  • equilibrium

    • p-type의 전자 : minority carrier, junction 근처에서는 potential 차이에 의해 n-type으로 넘어가기 쉬운 상태가 되어 diffusion-drift가 발생

    • n-type의 전자 : potential barrier에 의해 제한된 수의 전자만 diffusion

    • $J_N=J_{N|drift}(p\rArr n)+J_{N|diff}(n\rarr p)=0$

    • n-type 정공과 p-type 정공 역시 같은 원리로 equilibrium 상태가 됨

    • $J_P=J_{P|drift}(p\rArr n)+J_{P|diff}(n\rarr p)=0$

    • 전류밀도는 p, n 모두 0

  • 정방향 Bias
    

    

    • p-type 전자 : diffusion-drift에 의해 n-type로 이동

    • n-type 전자 : potential이 낮아져 더 많은 양의 캐리어가 p-type으로 diffusion 가능

    • $J_N=J_{N|drift}(p\rArr n)+J_{N|diff}(n\rarr p)=J_{N|diff}$ (potential을 넘어간 diffusion 분량만 전류로 작용)

    • $J_P=J_{P|diff}$ (potential을 넘어간 diffusion 분량만 전류로 작용)

    • built-in potential이 $q(V_{BI}-V_A)$로 감소, 이동하는 캐리어 수가 증가 = 전류 흐름

    • 원래 페르미 준위보다 p는 내려가고, n은 올라감 : $-qV_A$만큼 차이나게 됨 (p방향에 +전압을 걸어주어 ptype 준위가 내려갔으므로 전위차는 -가 됨)

    • minority carrier injection : forward bias에 의해 potential barrier가 낮아지면서 majority carrier가 minority carrier 자리로 이동하게 된다.

    • $e^{V_A/V_T}$에 비례한 전류 형성 : carrier injection에 의해 junction 근처에서 exponential한 캐리어 분포 형성

  • 역방향 Bias
    

    

    • potential barrier가 높아져 majority carrier의 diffusion은 거의 일어나지 않음
    • junction 근처에서 minority carrier의 농도가 낮기 때문에 junction 근처로 diffusion, 이후 potential에 한 drift
    • $J_N\simeq J_{N|drift}(p-region)$
    • $J_P\simeq J_{P|drift}(n-region)$
    • minority carrier의 양은 매우 적으므로 ($\sim 10^3$) 전류는 매우 작게 흐름

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• forward/reverse bias 모두 minority carrier 영역에서 전류 발생
  • forward bias의 경우 injection에 의해 높은 전류가 흐름
  • reverse bias의 경우 원래 있던 캐리어만 diffusion하여 전류가 생성되므로 전류가 매우 적게 흐름