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Single Stage MOS Amplifier

Single Stage MOS Amplifier

  • Common Source, Common Gate

  • saturation 영역에서 Voltage Dependent Current Source(VDCS) :
    VGSV_{GS}의 증가에 따라 Drain 전류 증가

  • VGSV_{GS}가 문턱 전압 VTHV_{TH} 이상이 되면 전류 IDI_DVDSV_{DS}에 거의 무관하게 동작

  • Common Source

    • Vout=VDDIDRDV_{out}=V_{DD}-I_DR_D
      ΔVD=ΔIDRR=gmΔVinRD\Delta V_D=-\Delta I_DR_R=-g_m\Delta V_{in}R_D (VGSV_{GS}의 함수)
    • Voltage Gain AV=gmRDA_V=-g_mR_D
  • Common Gate

    • Source가 입력, Drain이 출력
    • 입력 증가 > VGSV_{GS} 감소 > IDI_D 감소
    • 위 회로에서 Vin=VGSV{in}=-V_{GS}, ΔIout=gmΔVin\Delta I_{out}=-g_m\Delta V_{in}
      • ΔVout=ΔIoutRD=gmRDVin\Delta V_{out}=-\Delta I_{out}R_D=g_mR_DV_{in}
      • AV=gmRDA_V=g_mR_D
  • Early effect

    • Ideal Current Source로써의 MOS는 전압 입력에 완전히 독립적
    • 실제 동작은 Saturation 상태에서도 전압에 비례하여 약간씩 전류가 증가
      • 이는 Norton 등가회로로 해석했을때 전류원에 병렬한 저항이 추가된 것으로 해석 가능
      • 실제 MOS회로에서는 Drain-Source 사이에 내부저항 ror_o가 추가된 것으로 표현

  • Source Follower

  • Gate가 입력, Source가 출력
  • Diode 특성 : 입력이 일정 값 이상일 때부터 전류 IDI_D가 통전
  • Vout=VinVGS=IDRLV_{out}=V_{in}-V_{GS}=I_DR_L
    • ΔVIN=ΔVGS+ΔIDRL\Delta V_{IN}=\Delta V_{GS}+\Delta I_DR_L, ΔVGS=ΔIDgm\Delta V_{GS}=\frac{\Delta I_D}{g_m}

    • Av=RL1/gm+RLA_v=\frac{R_L}{1/g_m+R_L}

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Rating Problem

Entropy

  • 정보량에서의 Entropy : 정보의 양이 아닌, 랜덤변수에 정의되는 성질
  • 정보의 가치는 당연한 사실일수록 낮을 것이며,
  • 예측이 가능하지 않을수록, 즉 불확실성(Uncertainty)이 높을수록 정보량이 많아짐
  • 정보가 예측가능한 것이라면 정보의 가치가 없게됨
  • 결국, 발생 확률이 작을수록 정보의 가치가 높음
  • 따라서, 정보량은 발생 확률의 반비례적인 함수이어야 됨
  • 출처 : ktword - 정보량
  • 불확실성이 높을수록 정보량이 많아진다
  • ex. 동전 1개를 던질 때의 entropy
    • h(X)=Pilog2Pih(X) = -\sum P_ilog_2 P_i

    • PX(x)={1/2(x=0)1/2(x=1)P_X(x) = \begin{cases} 1/2(x=0)\\ 1/2(x=1) \end{cases}

    • h(x)=12log21212log212=1h(x) = -\frac{1}{2}log_2\frac{1}{2}-\frac{1}{2}log_2\frac{1}{2}=1

  • ex2. 주사위 던지기
    • h(x)=6×16×log26=2.585h(x) = 6 \times\frac{1}{6}\times\log_26 = 2.585
    • 만약 주사위 1000개를 던진다면 2585bit가 필요
  • morse code
    • 영단어에서 가장 많이 쓰이는 e, t의 부호가 가장 짧다.
    • 엔트로피 정의를 보면 h(X)=PilogPih(X) = -\sum P_ilog P_i에서 정보의 출현 확률과 엔트로피(정보량)은 반비례함을 알 수 있다.
  • 엔트로피가 작다
    = PMF가 편중되어 있는 상태(물리에서의 엔트로피와 비슷하게 해석)
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Rating Problem

Rating Problem

https://youtu.be/8idr1WZ1A7Q

  • 평점의 정확도 판단을 판단해보자

    • n : 리뷰의 개수
    • k : '좋아요' 를 남긴 개수
    • p : 리뷰를 남기는 사람이 '좋아요'를 달 확률
    • n과 k를 이용하여 p를 계산, p가 높을 수록 좋은 제품이라고 추정 가능
  • Bayes rule : P(A∣B)=P(B∣A)P(A)P(B)P(A|B) = \frac{P(B|A)P(A)}{P(B)}

    • P(Θ=p∣N=n,K=k)=P(K=k∣Θ=p,N=n)P(Θ=p∣N=n)P(K=k∣N=n)P(\Theta=p|N=n, K=k) = \frac{P(K=k|\Theta=p,N=n)P(\Theta=p|N=n)}{P(K=k|N=n)}
    • 사후 확률 : [n개 리뷰, k개 좋아요일 때 | 좋아요를 달게 될 확률이 p인 확률]
    • 인과 : [좋아요를 달 확률이 p일 때 리뷰가 n개인 경우 | k개 좋아요일 확률]
    • 사전 확률 : [n개 리뷰일 때 | 좋아요 확률이 p일 확률]
      • P(Θ=p∣N=n)=P(Θ=p)P(\Theta=p|N=n) = P(\Theta=p)로 판단 가능
    • 관찰 결과 : [n개 리뷰 때 | k개 좋아요의 확률]
  • P(K=k∣Θ=p,N=n)=(nk)pk(1−p)n−kP(K=k|\Theta=p,N=n)=\binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}(이항분포)

  • P(Θ=p)P(\Theta=p)Beta(α,β)=pα−1(1−p)β−1∫01qα−1(1−q)β−1dq=pα−1(1−p)β−1B(α,β)Beta(\alpha, \beta) = \frac{p^{\alpha-1}(1-p)^{\beta-1}}{\int^1_0q^{\alpha-1}(1-q)^{\beta-1}dq} = \frac{p^{\alpha-1}(1-p)^{\beta-1}}{B(\alpha,\beta)} 로 가정

  • P(K=k∣N=n)=∫01P(K=k∣Θ=q,N=n)fΘ(q)dqP(K=k|N=n) = \int^1_0P(K=k|\Theta=q,N=n)f_{\Theta}(q)dq

  • P(Θ=p∣N=n,K=k)P(\Theta=p|N=n, K=k) 식을 정리하면
    (nk)pk(1−p)n−kBeta(2,2)∫01(nk)qk(1−q)n−kBeta(2,2)dq=pk+1(1−p)n−k+1∫01qk+1(1−q)n−k+1dq\frac{\binom{n}{k}p^{k}(1-p)^{n-k}Beta(2,2)}{\int^1_0\binom{n}{k}q^{k}(1-q)^{n-k}Beta(2,2)dq} = \frac{p^{k+1}(1-p)^{n-k+1}}{\int^1_0q^{k+1}(1-q)^{n-k+1}dq}
    즉 베타분포 B(k+2,n−k+2)B(k+2, n-k+2)의 식으로 나타남

  • 이 식의 최빈값은 mode=a−1a+b−2=k+1n+2mode = \frac{a-1}{a+b-2}=\frac{k+1}{n+2}로 나타난다.

  • 아래 두 선은 n=1, 2인 경우, 노란 선은 n=1000인 경우, 시행회수가 증가함에 따라 분포의 평균이 더 높은 확률로 표시되는 것을 볼 수 있다.

  • 이를 통한 3가지 경우를 가정

(n,k) (10,10) (50,48) (200,186)
B(k+2,n−k+2)B(k+2, n-k+2) B(12,2) B(62,4) B(202,16)

  • 적색 : (10,10) / 녹색 : (50, 48) / 청색 : (200, 186)
  • 즉 50명 중 48명이 좋아요를 누른 경우가 좋아요를 누를 확률이 대략 94.2%가 됨을 알 수 있다.

Entropy

  • 정보량에서의 Entropy : 정보의 양이 아닌, 랜덤변수에 정의되는 성질
  • 정보의 가치는 당연한 사실일수록 낮을 것이며,
  • 예측이 가능하지 않을수록, 즉 불확실성(Uncertainty)이 높을수록 정보량이 많아짐
  • 정보가 예측가능한 것이라면 정보의 가치가 없게됨
  • 결국, 발생 확률이 작을수록 정보의 가치가 높음
  • 따라서, 정보량은 발생 확률의 반비례적인 함수이어야 됨
  • 출처 : ktword - 정보량
  • 불확실성이 높을수록 정보량이 많아진다
  • ex. 동전 1개를 던질 때의 entropy
    • h(X)=−∑Pilog2Pih(X) = -\sum P_ilog_2 P_i

    • PX(x)={1/2(x=0)1/2(x=1)P_X(x) = \begin{cases} 1/2(x=0)\\ 1/2(x=1) \end{cases}

    • h(x)=−12log212−12log212=1h(x) = -\frac{1}{2}log_2\frac{1}{2}-\frac{1}{2}log_2\frac{1}{2}=1

  • ex2. 주사위 던지기
    • h(x)=6×16×log⁡26=2.585h(x) = 6 \times\frac{1}{6}\times\log_26 = 2.585
    • 만약 주사위 1000개를 던진다면 2585bit가 필요
  • morse code
    • 영단어에서 가장 많이 쓰이는 e, t의 부호가 가장 짧다.
    • 엔트로피 정의를 보면 h(X)=−∑PilogPih(X) = -\sum P_ilog P_i에서 정보의 출현 확률과 엔트로피(정보량)은 반비례함을 알 수 있다.
  • 엔트로피가 작다
    = PMF가 편중되어 있는 상태(물리에서의 엔트로피와 비슷하게 해석)
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  • 한빛미디어의 나는 리뷰어다 2020에 선정되어 도서를 지원받아 작성한 글입니다.

  • 배워야지 하다가 손 놓고 있던 파이썬을 뜻밖에 전공 과제로 인해 강제로 손에 잡게 되었다. 코딩하는게 참 머리를 많이 쓰게 한다 싶으면서도, 파이썬의 라이브러리를 이용한 간편성(numpy, matplotlib ...)과, 에디터의 다양성(주피터가 그렇게 편한 에디터인줄 몰랐다)에 파이썬의 매력이 상당하다 싶었던 참이었다.

  • 그러던 차에 지난달 알쏭달쏭 C언어 책 리뷰에 이어 4월 미션 도서에 파이썬 도서인데다가, 마침 배워둬서 나쁘지 않겠다 싶을 딥러닝 관련 책이 있어 이 도서를 신청하게 되었다.

  • 주제가 주제인 만큼 책의 두께는 꽤 되는 편이지만, 실제 카테고리를 보니 가볍게 머신러닝 이론부터 시작해서, 파이썬 기초부터 수학/그래프 라이브러리, 그리고 딥러닝으로 이루어지는 구조였다. 딱 한권 떼면 뭔가 한학기 전공과목을 배운 것 같다 싶은, 그런 구성이다.

  • 괜찮은 내용 배치와 심심하지 않은 삽화 덕에 읽을 만은 한 편이다. 중간 중간 퀴즈가 있어 생각할 거리도 주는데, 공부에 도움이 된다기보다는 배운 내용을 두번 읽는 정도로 가볍게 훑는 느낌의 퀴즈이다.


  • 아쉬운 점이 있었다면 1판이라 오타가 잡히지 않은 것인지, 아니면 출간 후 라이브러리에 변동이 있었는지는 모르겠지만 책 중간에 코드에 오류가 발생한 경우가 있었다.

from sklearn import cross_validation
...
scores = cross_validation.cross_val_score(clf, X, y, cv=5)

라는 코드가 있는데, 이대로는 작동을 하지 않았고

from sklearn.model_selection import cross_val_score
...
scores = cross_val_score(clf, X, y, cv=5)

의 양식으로 작성해야 코드가 동작했다.


  • 책 내용의 구성은 파이썬으로 배우는 '딥러닝' 교과서 라기 보다는, '파이썬으로 배우는' 딥러닝 교과서에 가까운 느낌이다. 책 내용의 거의 딥러닝에 필요한 모듈인 파이썬-numpy(수학)-pandas(데이터)-matplotlib(시각화)-딥러닝으로 이어지는 구성인 만큼, 파이썬 지식이 충분하다면 이 책을 사도 그다지 읽을 부분이 많지는 않으리라 생각된다.

  • 하지만 그 과정의 내용 자체가 상당히 성실하게 구성된 만큼 초심자에겐 확실한 가이드가, 중급자에겐 무난한 참고서 역할을 해 줄 수 있으리라 생각된다.

 

 

https://www.aladin.co.kr/shop/wproduct.aspx?ItemId=233731362#

 

파이썬으로 배우는 딥러닝 교과서

이미지 인식 모델을 만드는 과정을 다루면서 딥러닝 요소를 학습한다. 머신러닝 기본부터 파이썬 기초와 함수 사용법을 배우고, 팬더스로 행렬 계산에 특화된 넘파이와 데이터를 반복적으로 다뤄보며 파이썬 사용법...

www.aladin.co.kr

- 위 링크에서 구매할 수 있습니다.

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Basic Op-amp

Basic Op-amp

  • 단일 신호 (Single-ended signal)
    • opamp 한 쪽은 접지
    • single-end 신호에 대해서만 사용됨
  • 차동 신호 (Differential signal)
    • 회로 자체로 인해 발생하는 노이즈가 존재 (Bond-wire의 인덕턴스 등)
    • source 전원 VDDV_{DD}에 포함된 노이즈를 상쇄
    • 단일 증폭기 대비 최대 swing이 2배
    • biasing이 간편
    • linearity 우수(2n 고조파 제거 가능)

  • 잡음 감소
    • 보드, IC 등의 신호선 근처에 클록선이 지나면 신호선과 클록선 사이 C특성에 의해 노이즈 발생
    • 거리를 두는 것이 가장 좋음
    • 반대 클록선을 2개 두어 노이즈 상쇄

Differential Pair

  • Source Coupled Pair라고도 함
  • 메모리에서는 sense amplifier라고도 함 (Read의 약한 신호 증폭)
  • Sampler라고도 함(샘플링 신호 증폭)

  • opamp 구조
  • source단 전류가 일정하게 유지되면 전압이 어느정도 변동되어도 stable한 동작 가능
    • 한쪽 전압이 과하게 커지면 전압이 큰 쪽에 모든 전류 할당 (전류 독차지 현상)

Common-Mode Response

  • 양단 Gate가 같은 신호 입력
  • M1, M2가 모두 saturation 상태여야 함
    • VGS1+(VGS3VTH3)VinV_{GS1}+(V_{GS3}-V_{TH3})\leq V_{in}\leq
      [ VDD(RDISS/2)+VTH1V_{DD}-(R_DI_{SS}/2)+V_{TH1}, VDDV_{DD} 중 작은 값 ]
    • 일정 범위 내에 있으면 전압 이득은 전압에 독립적
    • 범위를 벗어나면 gain 감소
  • Differential Transconductance gmg_m : 두 전압이 같을 때(Common-Mode) 최대가 됨
  • Common-Mode Gain
    • 노이즈가 섞인 Common-Mode 신호의 경우 출력에 noise가 포함
    • AV,CM=VoutVin,CMA_{V,CM}=\frac{V_{out}}{V_{in,CM}}
    • Common Mode Gain은 다른 Gain과 달리 작을 수록 유리(이상적인 경우 0)
      • Drain 저항의 mismatch 최소화 : 설계시 저항의 크기를 크게
      • tail(source단) 저항값 증가
      • 트랜지스터 간 mismatch 최소화

Virtual Ground

  • 차동 증폭기 입력이 bias를 기준으로 대칭저긍로 변화하면 small signal에서 가상 접지로 해석 가능
  • Half-Circuit : 차동 증폭기 Source단이 접지된 상태로 해석되므로 각 회로를 나누어 해석 가능

  • 공통 모드 제거비
    • Common-Mode Rejection Ratio(CMRR)
    • CMRRSE=ADM/ACMCMRR_{SE}=|A_{DM}/A_{CM}|
    • CMRRdiff=ADM/ACMDMCMRR_{diff}=|A_{DM}/A_{CM-DM}|

능동 전류 미러 (5TR Op-amp)

  • 차동 증폭기의 single-end 출력 구성시 출력 반대편에 current mirror 구성
  • current matching은 깨지지만 single-end 출력시 발생하는 gain 손실 방지
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Analog Basic Amplifier

Analog Basic Amplifier

  • Transistor : 입력단 전압신호를 비례하는 출력단 전류신호로 변환
    • CS-Amplifier : 위상반전, 입력임피던스 큼
    • CG-Amplifier : 위상 비반전, 입력 임피던스 작음
    • Source Follower(CD-Follower) : 위상 비반전, 증폭도 < 1, buffer 역할
    • Source Degeneration
    • Cascode

Diode 구조의 CS

  • VXIX=[gm+gmb]1ro1gm\frac{V_X}{I_X}=[g_m+g_{mb}]^{-1}||r_o\simeq\frac{1}{g_m}
  • 크기 감소 > 전압강하 증가

전류원 부하가 있는 CS

  • Common Source 부하 : ror_o 저항 역할
  • Av=gmro1ro2A_v=-g_mr_{o1}|r_{o2}

Source Degeneration

  • 선형성 : 큰 입력을을 왜곡 없이 받아들일 수 있는가의 여부
    • 큰 gain이어도 왜곡 발생시 사용성 x
  • degeneration resistor RsR_s의 추가를 이용하여 RsR_s에서 보는 저항 1/gm1/g_m에 의해 전압 분배
    • AV=RD1/gm+RSA_V=\frac{R_D}{1/g_m+R_S}
    • 트랜지스터의 전압 크기는 gate-source간 전압에 의해 결정되므로, 분배된 전압에 의해 큰 신호에 의한 부담이 감소 > 선형성 증가
    • 입력 bias의 변화에 따른 gm, IDg_m,\ I_D의 급격한 변화를 안정화할 수 있음
    • gain의 감소 = bandwidth 증가 = 소자 속도 증가
    • 단점 : 인가되는 전압 감소로 인해 gain 감소

Norton's Theorem

  • 모든 회로에는 output resistance가 존재
  • 출력단을 short시킨 후 흐르는 전류를 계산하여 transconductance gmg_m 계산
  • 입력을 short시킨 후 출력단 저항을 측정하여 출력저항 계산
    • Gain Av=GmRoutA_v=-G_mR_out

Source Follower

  • Common Source 회로의 경우 출력 임피던스가 크므로 작은 부하의 구동이 어려움
    • Source Follower를 버퍼 역할로 하여 회로 구동
  • 아날로그 신호를 유지하면서 bias를 이동(level shift)

Common Gate

  • S 입력, D 출력
  • 송전선 임피던스에 의한 반사를 방지하기 위한 impedance matching에 활용

Cascode

  • Common Source에서 증폭된 전류를 Common Gate Amp인 Cascode소자로 전달
    • 전달된 전류를 Drain 저항 RDR_D로 전압으로 출력
    • 전류, 크기가 제한되어 있으므로 gmg_m 조절이 제약(특히 전류에 영향)
    • 출력 저항을 증가시켜 Gain 증폭 가능
  • 차폐 특성
    • Current Mirror에 오차 발생시 그에 비례한 오차 발생'
      • Cascode를 이용하여 전류 변화 억제 (shielding)
  • Folded Cascode
    • PMOS-NMOS Cascode 전류원을 변형
    • 기존 P-NMOS 전류원의 경우 입력 bias에 제한
    • 회로를 접은 것처럼 구성하여 전압 범위에 유연성 제공
    • 전류 사용은 늘어나는 단점
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전류원의 응용

전류원의 응용

  • 일정한 전류(bias)가 통할 때 트랜지스터가 원하는 방식대로 동작
  • 공급 전압, 공정, 온도 의존성이 낮은 회로 설계 및 다른 전류원과의 매칭 등 고려 필요

전류 미러

  • PVT조건에 대해 엄격한 기준 전류원 설계
  • Gate-Drain을 연결한 MOS를 이용하여 Current Mirror 생성
  • 큰 Channel-Length를 써야 노이즈 감소, 매칭, 출력 저항 면에서 유리
  • 전류 미러 오차 : Channel-Length Effect에 의해 ref와 copy 전류 간 오차 발생
  • Cascode 전류미러
    • Cascode : 출력 저항(Channel-Length eff.의 역수)의 증폭
    • 요구되는 전압이 매우 커짐

  • 정확도-헤드룸 trade off
    • head-room : 회로가 정상 동작(saturation+gain+current matching) 가능한 DC전압 범위
    • 간단한 회로는 큰 헤드룸, 낮은 정확도
    • Cascode는 좁은 헤드룹, 높은 정확도
  • 저전압 Cascode
    • Current Mirroring 대신 하단 Gate를 feedback
    • 모든 TR소자가 Saturation되기 위한 적절한 입력 VbV_b전압 설정 필요
      • VGS2+VGS1VTH1VbVGS1+VTH2V_{GS2}+V_{GS1}-V_{TH1}\leq V_b\leq V_{GS1}+V_{TH2}

Vref생성V_{ref} 생성

resistor network zener diode MOSFET
process variation OK not good not good
Supply Rejection poor good good
Temperature Drift OK not good not good
  • process variation : 공정 수정
  • supply rejection : AC성분 감쇠
  • temperature drift : 온도에 의한 특성 변경

supply independent biasing

  • K배 비율을 둔 current mirror 출력단에 저항을 배치하여 통전
  • bootstrap : 상호 current mirroring을 통해 전류 변화를 억제
  • Iout=2βn1Rs2(11K)2I_out=\frac{2}{\beta_n}\frac{1}{R_s^2}(1-\frac{1}{\sqrt{K}})^2 : 공급 전압에 독립적인 전류(Constant gmg_m biasing)
    • Body effect에 의해 Threshold Voltage에 오차가 발생 - PMOS를 이용하여 source-body를 연결하여 body effect의 제거 가능

  • 실 제품 설계시 안정성 있는 제품 제조가 중요 : 오동작(error)의 상당수는 상호 피드백에서 발생
    • 기준 전압이 없으므로 Gate단이 On으로 switching되는 과정에서 소자가 통전되지 못할 확률이 존재
    • diode를 이용하여 전압차를 비교하여 평형시켜주는 보조 필요
    • startup 회로
      • 적절한 초기 전압 (PMOS<NMOS)일 때 동작 x
      • NMOS 전압이 더 높아질 때 동작

Bandgap Voltage Reference(BGR)

  • 실리콘 등 물질의 고유 특성인 bandgap은 불연속적으로 형성
  • 물질 자체의 특성이므로 어느 정도 신뢰성이 있음 : Power IC 설계시 Bandgap 특성에 기반한 설계
  • BJT 전류식에 기반하므로 BJT 소자를 이용하여 BGR회로 설계
    • 온도와 VBEV_{BE}는 (-) 의 관계
    • thermal voltage VTV_T는 온도와 (+)관계
    • VBE+KVTV_{BE}+KV_T의 합으로 온도의 영향 상쇄 가능
  • Negative-Temperature Coefficient(by VBEV_{BE})
    • VBE=VTln(IC/IS)V_{BE}=V_Tln(I_C/I_S), q=kT/VTq=kT/V_T
    • VBET=VBE(4+m)VTEg/qT\frac{\partial V_{BE}}{\partial T}=\frac{V_{BE}-(4+m)V_T-E_g/q}{T}
      • VBEV_{BE}의 온도에 대한 의존도는 Bandgap에 dependent
      • VBE=750mV, T=300KV_{BE}=750mV,\ T=300K일 때 약 -1.5mV/K
      • CTAT(compliment-to-absolute-temperature)
  • Positive-TC
    • 2개의 VBEV_{BE}의 전압 차이를 이용
    • VBET=kqln(n)\frac{\partial V_{BE}}{\partial T}=\frac{k}{q}ln (n) (양의 coefficient)
    • PTAT(proportional-to-absolute-temperature)라고도 함
    • Bandgap reference는 PTAT과 CTAT의 결합이라고도 표현
  • Concepture Generation
    • 크기가 A, nA인 두 BJT 가정
    • 전압 VO1, VO2V_O1,\ V_{O2}는 Opamp의 virtual short 특성을 이용해 동일하게 설정 가능
    • VBE1=IR+VBE2=VBE2+VTln(n)V_{BE1}=IR+V_{BE2}=V_{BE2}+V_Tln(n) : CTAT+PTAT
  • Practical Generation
    • Vout=VBE2+VTln(n)(1+R2R3)V_{out}=V_{BE2}+V_Tln(n)(1+\frac{R_2}{R_3})
    • n=2n1n=2^n-1로 설정 : matching 특성을 맞추기 위해
      • BJT 크기 특성상 보통 n=15, 7정도를 많이 채택
      • n이 클수록 variation 감소

  • CMOS공정 시 npn BJT 사용 불가
    • lateral BJT(원래 BJT보다는 좋지 못한 특성)을 이용하여 설계
    • BCD(Bipolar, CMOS, DMOS) 공정 시 npn 사용 가능
  • BGR error
    • current mirror, layout의 mismatch
    • CMOS 공정의 한계
    • Opamp offset
    • npn transistor 한계
  • BGR Issue
    • Supply Dependence : 공급 전압에 대한 출력 전압의 독립성은 충분히 유지 가능
    • Startup : cross-reference 회로에 대한 startup 문제의 방지를 위해 diode 등을 이용하여 소자의 이상동작 방지
    • Curvature Correlation : 온도, 전류 등에 의해 특성곡선이 변화 - gain 등을 조정하여 보완
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1. Random Vector

  • 랜덤벡터 = 랜덤변수의 곱집합(Cartesian Product)
  • 2차원 벡터 (X, Y), 3차원 벡터 (X, Y, Z), ...

2. Joint Distribution

  • 결합 분포 CDF FX,Y(x,y)≡P(X≤x, Y≤y)F_{X, Y}(x,y)\equiv P(X\leq x,\ Y\leq y)
    • X, Y CDF의 교집합 : P(A∩B)P(A\cap B)
    • Discrete R.V.의 경우 2개 축을 갖는 테이블로 표현
      • Marginal Probability : 1개 축이 갖는 확률
      • ex. P(X=x1)=∑j=13P(X=x1, Y=yj)=∑j=13p1jP(X=x_1)=\sum_{j=1}^3P(X=x_1,\ Y=y_j)=\sum_{j=1}^3p_{1j}
    • (X, Y)의 확률계산은 랜덤변수 X, Y의 모든 정보(확률)을 알 때 가능

Joint CDF Property

  1. FX,Y(−∞, −∞)=FX,Y(−∞,y)=FX,Y(x,−∞)=0F_{X, Y}(-\infty,\ -\infty)=F_{X,Y}(-\infty,y)=F_{X,Y}(x,-\infty)=0
  2. FX,Y(∞,∞)=1F_{X,Y}(\infty,\infty)=1
  3. 0≤FX,Y(x,y)≤10\leq F_{X,Y}(x,y)\leq1
  4. FX,YF_{X,Y}는 x, y의 범위 내에서 감소하지 않음
  5. P(x1<X≤x2, y1<Y≤y2)P(x_1<X\leq x_2,\ y_1<Y\leq y_2)
    =FX,Y(x2,y2)+FX,Y(x1,y1)−FX,Y(x1,y2)−FX,Y(x2,y1)≥0=F_{X, Y}(x_2, y_2)+F_{X,Y}(x_1,y_1)-F_{X,Y}(x_1,y_2)-F_{ X,Y}(x_2,y_1)\geq0
  6. Marginality : FX,Y(x,∞)=FX(x), FX,Y(∞,y)=FY(y)F_{X,Y}(x,\infty)=F_X(x),\ F_{X,Y}(\infty,y)=F_Y(y)
    • 랜덤벡터 CDF FX,Y(x,y)F_{X, Y}(x,y)에서 CDF FX(x)F_X(x), FY(y)F_Y(y)를 얻을 수 있음
    • 하지만 FX(x)F_X(x), FY(y)F_Y(y)에서 FX,Y(x,y)F_{X, Y}(x,y) 계산은 불가
    • 예외 : X, Y가 확률적으로 독립된 상태일 때
      P(A,B)=P(A)P(B)P(A,B)=P(A)P(B), FX,Y(x,y)=FX(x)FY(y)F_{X,Y}(x,y)=F_X(x)F_Y(y)

3. Joint Density

  • 결합 밀도 fX,Y(x,y)≡∂2FX,Y(x,y)∂x∂yf_{X, Y}(x,y)\equiv\frac{\partial^2F_{X,Y}(x,y)}{\partial x\partial y}
    • Discrete R.V.에서는 델타함수의 식으로 표현
    • fX,Y=(x,y)=∑n=1N∑m=1MP(xn,ym)δ(x−xn)δ(y−yn)f_{X,Y}=(x,y)=\sum_{n=1}^N\sum_{m=1}^MP(x_n,y_m)\delta(x-x_n)\delta(y-y_n)
  • Properties
    1. ∫−∞∞∫−∞∞fX,Y(x,y)dydx=1\int^\infty_{-\infty}\int^\infty_{-\infty}f_{X,Y}(x,y)dydx=1
    2. FX,Y(x,y)=∫−∞x∫−∞yfX,Y(u,v)dvduF_{X,Y}(x,y)=\int^x_{-\infty}\int^y_{-\infty}f_{X,Y}(u,v)dvdu
    3. FX(x)=∫−∞x∫−∞yfX,Y(u,v)dvduF_X(x)=\int^x_{-\infty}\int^y_{-\infty}f_{X,Y}(u,v)dvdu
    4. P(x1<X≤x2,y1<Y≤y2)P(x_1<X\leq x_2,y_1<Y\leq y_2)
      =∫x1x2∫y1y2fX,Y(x,y)dydx=\int^{x2}_{x1}\int^{y2}_{y1}f_{X,Y}(x,y)dydx
    5. fX(x)=∫−∞∞fX,Y(x,y)dyf_X(x)=\int^\infty_{-\infty}f_{X,Y}(x,y)dy
    • fX,Y(x,y)f_{X,Y}(x,y)에서 PDF fX(x)f_X(x), fY(y)f_Y(y) 계산 가능
    • 독립사건을 제외하고 fX(x)f_X(x), fY(y)f_Y(y)에서 fX,Y(x,y)f_{X,Y}(x,y)를 계산할 수는 없음


4. Conditional Distribution

  • 조건부 확률 P(A∣B)≡P(A,B)P(B)P(A|B)\equiv\frac{P(A,B)}{P(B)}
  • Conditional CDF FX(x∣B)=P[(X≤x)∩B]P(B)F_X(x|B)=\frac{P[(X\leq x)\cap B]}{P(B)}
    • 연속적인 랜덤변수 X, Y에 대해 FX,Y(x∣Y=y)=P[(X≤x)∩[Y=y]]P(Y=y)F_{X,Y}(x|Y=y)=\frac{P[(X\leq x)\cap [Y=y]]}{P(Y=y)}
    • 연속적인 랜덤변수에서 P(Y=y)=0P(Y=y)=0 : 0/0형태로 나타나는 문제
    • CDF 계산이 안될 경우 PDF식을 구한 후 적분
  • Conditional PDF fX(x∣B)=dFX(x∣B)dxf_X(x|B)=\frac{dF_X(x|B)}{dx}

Bayes' Theorem

  • fY(y∣x)=fY(y)fX(x∣y)fX(x)f_Y(y|x)=\frac{f_Y(y)f_X(x|y)}{f_X(x)}
    • fX(x)f_X(x) : 관찰된 것
    • fY(y∣x)f_Y(y|x) : 사후 확률
    • fX(x∣y)f_X(x|y) : likelihood - 인과관계
    • fY(y)f_Y(y) : 사전 확률 - 실험 전 일반적인 확률
  • Marginalization : fX(x)=∫−∞∞fX(x∣y)fY(y)dy=∫−∞∞fX,Y(x,y)dyf_X(x)=\int^\infty_{-\infty}f_X(x|y)f_Y(y)dy=\int^\infty_{-\infty}f_{X,Y}(x,y)dy

5. Sum of Independent R.V.

  • 독립적인 두 R.V. X,Y에 대해 W=X+Y를 정의

  • FW(w)=F(W≤w)=F(X+Y≤w)F_W(w)=F(W\leq w)=F(X+Y\leq w)
    ∫−∞∞∫−∞W−YfX,Y(x,y)dxdy\int^\infty_{-\infty}\int^{W-Y}_{-\infty}f_{X,Y}(x,y)dxdy
    (X, Y가 indep.) ∫−∞∞fY(y)∫−∞W−YfX(x)dxdy\int^\infty_{-\infty}f_Y(y)\int^{W-Y}_{-\infty}f_X(x)dxdy

  • fW(w)=dFW(w)dwf_W(w)=\frac{dF_W(w)}{dw}
    =∫−∞∞fY(y)fX(w−y)dy=∫−∞∞fX(x)fY(w−x)dx=\int^\infty_{-\infty}f_Y(y)f_X(w-y)dy=\int^\infty_{-\infty}f_X(x)f_Y(w-x)dx
    =fX(w)∗fY(w)=f_X(w)*f_Y(w) : Convolution


7. Central Limit Theorem

  • 충분히 많은 시행횟수에 대해 확률분포는 Gaussian 형태를 띄게 됨
    • YN=X1+X2+...+XNY_N=X_1+X_2+...+X_N의 N이 무한으로 갈 때 fYNf_{Y_N}은 gaussian 형태
  • 평균이 μ\mu, 분산이 σ2\sigma^2인 n개의 iid(independent, identical) R.V.의 합을 SnS_n으로 정의할 때
    • 평균 0, 분산 1(unit-variance)인 랜덤변수 ZN=Sn−nμσnZ_N=\frac{S_n-n\mu}{\sigma\sqrt{n}}
    • n이 무한으로 갈 때 limnP[Znz]=12πzexp[x22]dxlim_{n\rarr\infty}P[Z_n\leq z]=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int^z_{-\infty}exp[-\frac{x^2}{2}]dx
    • SnS_n의 평균 E[Sn]=E[X1]+E[X2]+...+E[Xn]=nμE[S_n]=E[X_1]+E[X_2]+...+E[X_n]=n\mu
    • SnS_n의 분산 E[(Znnμ)2]=nσ2E[(Z_n-n\mu)^2]=n\sigma^2
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아날로그 특성

아날로그 특성

  • 아날로그 신호는 매우 작은 크기의 신호 + 간섭(interfere)를 포함
  • 신호 처리(증폭기) + 간섭 제거(필터) ( + ADC )
    • 핵심 역할은 주로 op-amp가 처리

아날로그 설계의 난점

  • 디지털은 속도-전력 trade off관계를 갖는 반면, 아날로그는 속도, 전력, 이득, 정밀도, 잡음 등 고려할 점이 많아짐
  • 잡음, 누화(crosstalk), 간섭(interfere)에 매우 민감
  • 설계시 Full-Custom과정을 많이 거침 : 시뮬레이션, 모델링이 발전했음에도 실제 동작과의 차이 존재
  • IoT, 웨어러블 등 기기를 위한 Analog 회로 설계에 있어서 고성능 저전력, 디지털 회로와의 조합 등 trend 변화

아날로그 회로 설계

  • PVT : Process, Voltage, Temperature 요소에 대한 견고한 공정 필요
  • Typical - Fast - Slow 3가지를 동작 조건을 고려하여 몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 무작위 조건 하에서 정상 동작하는지 확인 필요

CMOS (Compliment MOS)

  • 소자 크기, 제조 비용이 매우 작음
  • steady 상태의 current는 0에 가깝고, 스위칭 동작 시 전력 소모도 작은 편
  • Source-Drain 간 길이, Gate 산화막 두께가 회로에 중요한 역할

Threshold Voltage

  • Gate에 충분한 전압 (Threshold Voltage)가 인가되면 Source 전하가 Gate측 경계를 흐르다 Drain으로 이동
  • Channel이 형성, MOS가 켜진다 혹은 경계가 반전되었다고 표현
  • 문턱 전압 = work function(설계상 조절 x) + 도핑 농도의 함수
  • 최근 공정에서는 SVT(Standard Threshold), LVT(Low Threshold), HVT(High Threshold)로 나뉨
    • 대기시간이 긴 IOT 등의 경우 누설전류가 작아야 하는 requirement가 있어 HVT소자 사용

I-V Characteristics

  • VDS=VGSVTHV_{DS}=V_{GS}-V_{TH}일 때 Drain 전류가 최대
    • 이보다 작으면 Triode, 크면 Saturation
    • ID=μnCoxideWL[(VGSVTH)VDS12VDS2]I_D=\mu_nC_{oxide}\frac{W}{L}[(V_{GS}-V_{TH})V_{DS}-\frac{1}{2}V_{DS}^2]
    • IDmax=12μnCoxideWL(VGSVTH)2I_{Dmax}=\frac{1}{2}\mu_nC_{oxide}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})^2
  • 충분히 작은 Drain 영역(VDS<<2(VGSVTHV_{DS}<<2(V_{GS}-V_{TH}))에서 MOS소자는 저항과 같이 동작
  • Saturation : VDSV_{DS}VGSVTHV_{GS}-V_{TH}를 약간 상회할 때, 채널이 pinch-off됨
    • Drain 전압이 늘 수록 채널의 depletion region이 늘어남
    • 이로 인해 pinch-off된 영역이 더 커짐 = 채널 길이는 짧아진 효과(Channel-Length Modulation)

Transconductance

  • 설계 = 사양을 만족하기 위해 parameter를 정하는 것
  • MOS 설계 parameter인 전류, 전압, size 중 size or 전류 조정이 상대적으로 쉬움
    (VTHV_{TH}는 거의 고정값, VGSV_{GS}는 bias 문제로 조정 폭 제한)
  • gm=IDVGS=2μnCoxideWLID=2IDVGSVTHg_m=\frac{\partial I_D}{\partial V_{GS}}=\sqrt{2\mu_nC_{oxide}\frac{W}{L}I_D}=\frac{2I_D}{V_{GS}-V_{TH}}
    • 고정된 size(W/L)에 대해서 IDgmI_D-g_m은 루트 관계
    • 고정된 IDI_D에 대해 VgmV-g_m은 역수 관계 형성
    • 비용 감축을 위한 size 조절 vs 사용전력 감축을 위한 IDI_D 조절

  • Body effect(Backgate Effect)
    • Source-Body(Substrate) 간 전압차에 의해 VTHV_{TH}가 증가
    • 입-출력 전압의 왜곡을 유발
  • Channel-Length Modulation
    • Drain 전압 변화에 의해 채널 길이가 짧아지는 효과가 발생하여 IDI_D가 증가
    • 채널 길이가 긴 경우 Channel-Length Modulation의 영향이 적음 : 아날로그 증폭기 설계시 공정이 미세해져도 면적 크기는 대체로 일정한 편
  • subthreshold conduction
    • 실제 MOS소자 동작은 문턱 전압 이하에서도 약한 inversion layer 형성

MOS Capacitance

  • Metal-Oxide-Semiconductor의 소자 특성에 의해 전기용량 영역이 자연스럽게 형성
  • MOS 크기가 증가(W, L 증가) 시 Gate 측의 Capacitance가 증가하는 부작용이 존재
    • gate switching시 필요한 에너지(Switch Loss), 전환 시간 증가
  • Source, Drain을 GND하고 Gate에 전압 인가시 Capacitor처럼 동작

CMOS Analog Basic

MOS의 스위치 특성

  • NMOS : high on - 저전압 통과
  • PMOS : low on - 고전압 통과
  • CMOS : high on - 신호 범위가 넓어야 하는 경우 활용
  • 입력 전압에 의해 on 상태의 저항값이 바뀌는 문제
    • 전압에 따라 Triode-saturation 상태가 바뀌기 때문에 발생
    • NMOS, PMOS를 병렬로 구성하면 입력전압에 독립적인 회로 구성 가능
      • N, PMOS의 mobility와 크기가 각각 동일할 때 입력 전압에 동일한 회로 구성 가능

Channel Charge Injection

  • MOS 회로가 On > OFF로 바뀔 때 C의 방전 특성에 의한 Channel Charge에 의해 의도하지 않은 순간적인 전압 변화 발생
  • 이상적으로는 입력전압에 비례하여 출력전압이 나와야 하지만, Channel Charge Injection에 의해 offset을 갖는 출력 발생
  • Channel Length를 줄이고, MOS 회로의 Capacitor CHC_H를 줄여 보완 가능
  • Clock feedthrough
    • MOS의 C특성에 의해 gate를 통하는 switch on/off 신호가 출력전압에 전달되는 현상
    • 소자 크기(W)를 줄이거나, CH를키워해결가능C_H를 키워 해결 가능
  • kt/C noise
    • 온도에 비례하고, 정전용량에 반비례하는 노이즈 발생
    • 아날로그 회로의 샘플링 노이즈 감소를 위해서는 회로 내 C 크기를 증가
  • Charge Injection 방지
    • 더미 회로를 하나 추가하여 Charge Injection을 방지할 수 있음
    • CMOS 사용시 NMOS는 전자 / PMOS는 정공이 변화하므로 다소 완화 가능
    • Differential Sampling : ADC 등의 경우 2개 MOS 회로로 구성된 차동 회로를 이용하여 Charge Injection을 다소 완화

Switch Capacitor Fundamental

Simulated Resistor

  • I=ΔqT=C(V1V2)T=V1V2RI=\frac{\Delta q}{T}=\frac{C(V_1-V_2)}{T}=\frac{V_1-V_2}{R}
    • 회로의 저항 R=T/CR=T/C로 정의 가능
    • Simulated Resistor의 저항과 별도 C가 결합된 회로(필터, Modulator 등)의 경우 frequency RC2RC_2의 오차가 1% 이내로 감소
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4. Carrier Generation & Recombination

4. Carrier Generation & Recombination

1. Recombination & Generation

  • 캐리어가 과도하거나 부족한 상태를 평형 상태로 되돌리는 과정\\

  • Generation : 0+E→e+h0+E\rarr e+h

    • thermal generation : np<ni2np<n_i^2으로 캐리어가 부족 + 열 에너지에 의해 발생
    • 빛 등 외부 에너지에 의해서도 발생
  • Recombination : 0+E←e+h0+E\larr e+h

    • np>ni2np>n_i^2으로 캐리어가 과도해지면 발생

  • Equilibrium
    • generation과 recombination이 같은 비율로 일어나 거시적으로 변화가 거의 없는 상태
    • np=ni2np=n_i^2
    • 전류밀도 JN=JP=0J_N=J_P=0인 상태
    • 페르미 준위가 단일 값을 갖는 상태
  • Steady State
    • 외부에서의 에너지 영향이 존재하나 시간에 따른 변화가 거의 없는 상태
    • np≠ni2np\not=n_i^2
    • 전류밀도는 0이 아닐 수 있음
  • Transient State
    • Equilibrium / steady state 사이의 과도기
    • n, p, 페르미 준위는 시간에 따라 변화
    • 전류 밀도는 0일 수도, 아닐 수도 있음

2. Recombination - Generation Mechanism

  • Recombination\\
    • band-to-band recombination
      • conduction band의 전자가 valance band의 정공과 만남
      • 에너지는 빛의 형태로 방출
    • R-G center recombination
      • 불순물 등에 의해 forbidden band 내에 에너지 준위 형성
      • 이 준위에서 합쳐지거나, 이 준위를 타고 전자가 valance band로(or 정공이 conduction band로) 이동하여 합쳐지는 것으로 해석
      • 에너지는 열의 형태로 방출
    • Auger Recombination
      • band-to-band recombination으로 인한 에너지가 방출되지 않고, 같은 밴드 내 다른 캐리어로 가해짐
      • Thermalization : 에너지를 받은 캐리어는 운동 에너지를 받아 높은 준위로 올라간 후, 서서히 자신의 에너지를 방출하여 원래 준위로 복귀

  • Generation\\
    • Band-to-Band generation
      • 외부 에너지에 의해 전자가 valance band에서 conduction band로 올라가며 그 자리에 정공 생성
    • R-G center generation
      • 불순물 등에 의한 forbidden band 내부 준위로 인해 valance band 내 전자가 더 쉽게 conduction band로 올라감
    • impact ionization (avalanche mechanism)
      • 외부 전계에 의해 conduction band 내의 자유전자가 운동 에너지를 갖게 됨
      • 이 운동 에너지가 valance band 내 전자에 가해지면서 새로운 electron-hole pair 생성

  • Auger Process
    • impact ionization by electron
      • 외부 전계에 의해 conduction band 내의 자유전자가 운동 에너지를 갖게 됨
      • 이 운동 에너지가 valance band 내의 다른 전자에 가해지면서 새로운 electron-hole pair 생성
      • Auger Recombination : conduction band의 전자가 recombination되며 생성된 에너지가 conduction band 내 다른 전자에 가해짐
        • Raug=C1(n2p−n0p0)R_{aug}=C_1(n^2p-n_0p_0)
    • impact ionization by hole
      • valance band 내의 정공이 갖고 있던 운동에너지가 밴드 내 다른 전자에 가해지면서 pair 생성
      • Auger Recombination : recombination에 의해 방출되는 에너지가 hole의 운동에너지로 변환
        • Raug=C2(n2p−n0p0)R_{aug}=C_2(n^2p-n_0p_0)

  • Energy and Momentum Consideration
    • 전자-정공의 생성-결합은 에너지, 운동량 보존법칙을 준수
    • E-k diagram에서 E는 에너지, k는 운동량을 확인
    • 생성-결합의 중요 입자
      • 광자(photon)
        • 큰 에너지(Eph=hvE_{ph}=hv), 작은 운동량 (p=h/λp=h/\lambda, λ≃1μm\lambda\simeq1\mu m)
        • 에너지 보존 법칙에 영향
      • 포논(phonon)
        • 작은 에너지 (수십mV), 큰 운동량 (p=h/λp=h/\lambda, λ≃1nm\lambda\simeq1nm)
        • 운동량 보존 법칙에 영향
      • 파동의 속도는 광자쪽이 훨씬 빠름 (≃c\simeq c)

  • Direct/Indirect semiconductor\\
    • Direct Semiconudctor

      • E-k diagram에서 Conduction Band의 최저점과 Valance Band의 최고점이 나타나는 k값이 동일한 경우
      • electron-hole의 운동량이 0
      • recombination에 의한 에너지 방출 ( = 에너지 보존 법칙 ), 방출 에너지의 운동량이 0 ( = 운동량 보존의 법칙 )
    • Indirect Semiconductor

      • E-k diagram에서 Conduction Band의 최저점과 Valance Band의 최고점이 나타나는 k값이 다름
      • phonon에 의해 k의 운동량을 갖고 광자 혹은 외부 에너지에 의해 전자-정공이 결합

  • Generation Center\\
    • 반도체 내 도핑 혹은 결정 결함(defect) 에 의해 Conduction-Valance Band 내 에너지 준위를 형성

    • R-G Center Recombination의 속도는 추가된 준위와 conduction-valance band 간 거리 중 먼 쪽에 의해 영향

    • bandgap 사이를 이동하는 캐리어의 lifetime을 줄이기 위해 금속을 반도체에 도핑해줌

    • DRAM같은 경우 오히려 전하가 오래 머무는 것이 중요하므로 defect를 줄이는 쪽으로 공정 진행


3. R-G Statics

  • 캐리어 농도의 시간적 변화에 따른 생성-결합의 수학적 표현

  • Light Absorption
    • 위치에 따라 빛의 에너지는 지수적으로 감소
      • I(x)=I(0)exp[−αx]I(x)=I(0)exp[-\alpha x]
    • 빛의 파장(에너지)에 의해 빛의 흡수 계수 α\alpha가 결정
      • 짧은 파장 = 큰 에너지 = 큰 흡수계수

  • Indirect semiconductor의 경우 Generation-Recombination 과정이 valance band의 top에서 conduction band의 bottom으로 이동하는 과정이므로 에너지 뿐 아니라 phonon의 영향도 같이 받게 됨

  • 이때 가해지는 에너지가 일정 이상이 되면, 굳이 conduction band의 bottom 지점이 아닌 k값이 일치하는 지점으로 이동이 가능해짐

  • 이로 인해 phonon의 영향이 적어지고, 이 지점에서 흡수계수가 갑자기 커지게 됨(ex. Ge, InGaAs ...)


  • Band to Bnad generation
    • Photon의 생성 개수 Nph(x)=Nph(0)exp[−αx]N_{ph}(x)=N_{ph}(0)exp[-\alpha x]

    • Photon의 생성 속도 dNph(x)dx=−α(λ)Nph(x)\frac{dN_{ph}(x)}{dx}=-\alpha(\lambda)N_{ph}(x)

    • 캐리어 generation 속도 = photon이 사라지는(에너지가 흡수되는) 속도

      • GL(x,λ)=−dNph(x)dt=−dNph(x)dxdxdt−vgphNph(x)=vgphα(λ)Nph(x)=GL(0,λ)exp[−α(λ)x]G_L(x, \lambda)=-\frac{dN_{ph}(x)}{dt}=-\frac{dN_{ph}(x)}{dx}\frac{dx}{dt}-v_{gph}N_{ph}(x)\\=v_{gph}\alpha(\lambda)N_{ph}(x)=G_L(0,\lambda)exp[-\alpha(\lambda)x]
      • alpha가 매우 작은 경우 : 생성 속도가 일정 (GL(x,λ)=GL(0,λG_L(x,\lambda)=G_L(0,\lambda)
      • alpha가 매우 큰 경우 : 특정 지점에서 순간적으로 pair 생성 GL(x)=GL(0)δ(x)G_L(x)=G_L(0)\delta(x)
    • Free-Carrier Absorbtion : 에너지가 conduction band의 전자나 valance band의 정공에 가해져서 캐리어 생성 없이 운동 에너지만 증가시키는 현상


  • Trap Assisted R-G
    • impurity에 의해 생성된 준위에 의한 생성-결합

  • 용어 정의
    • n0, p0n_0,\ p_0 : equilibrium 상태의 전자/정공 농도
    • n, pn,\ p : 임의 상태에서의 전자/정공 농도
    • Δn≡n−n0\Delta n\equiv n-n_0 : equilibrium 상태에서의 전자 농도 변화
    • Δp≡p−p0\Delta p\equiv p-p_0 : equilibrium 상태에서의 정공 농도 변화
    • NTN_T : R-G Trap (impurity에 의해 생성된 준위)의 상태밀도

  • Low-level injection
    • Perturbation : majority carrier는 거의 변하지 않고, minority carrier만 변화한다.
      • n-type에서 Δp<<n0, n≃n0\Delta p<<n_0,\ n\simeq n_0
      • p-type에서 Δn<<p0, p≃p0\Delta n<<p_0,\ p\simeq p_0

  • 외부 에너지가 가해주는 순간 캐리어 농도에 변화가 발생 (Δp0\Delta p_0)

  • 시간이 흐름에 따라 재결합에 의해 Δp\Delta p는 감소

  • 충분한 시간이 흐르고 나면 평형 상태로 복귀 (Δp=0\Delta p=0)

  • ex) ni=1010cm−3n_i=10^{10}cm^{-3}, ND=1014cm−3N_D=10^{14}cm^{-3}\\ perturbation에 의해 Δp=Δn=109cm−3\Delta p=\Delta n=10^9cm^{-3}

    • n=n0+Δn=1014+109≃1014≃n0n=n_0+\Delta n=10^{14}+10^9\simeq10^{14}\simeq n_0
    • p=p0+Δp=106+109≃109≃Δpp=p_0+\Delta p=10^6+10^9\simeq10^9\simeq\Delta p
  • 시간에 따른 정공의 결합/생성 변화(n-type, indirect)

    • ∂p∂t∣R=−cpNTp\frac{\partial p}{\partial t}|_R=-c_pN_Tp
      • NTN_T : Trap의 상태밀도
      • pp : 정공의 농도
      • cpc_p : 비례상수
    • ∂p∂t∣G=−∂p∂t∣R, equilibrium=cpNTp0\frac{\partial p}{\partial t}|_G=-\frac{\partial p}{\partial t}|_{R,\ equilibrium}=c_pN_Tp_0
    • thermal R-G에 의해 정공의 시간에 따른 변화 ∂p∂t∣i−thermal−R−G=∂p∂t∣R−∂p∂t∣G=−cpNT(p−p0)=−cpNTΔp\\\frac{\partial p}{\partial t}|_{i-thermal-R-G}=\frac{\partial p}{\partial t}|_R-\frac{\partial p}{\partial t}|_G=-c_pN_T(p-p_0)\\=-c_pN_T\Delta p
    • p-type 반도체에서 thermal R-G에 의한 전자의 시간에 따른 변화∂n∂t∣i−thermal−R−G=−cnNTΔn\\\frac{\partial n}{\partial t}|_{i-thermal-R-G}=-c_nN_T\Delta n

  • electron/hole lifetime
    • thermal R-G에서 전자, 정공의 변화 속도
      • ∂p∂t∣i−thermal−R−G=−cpNTΔp=−Δpτp\frac{\partial p}{\partial t}|_{i-thermal-R-G}=-c_pN_T\Delta p=-\frac{\Delta p}{\tau_p}
      • ∂n∂t∣i−thermal−R−G=−cnNTΔn=−Δnτn\frac{\partial n}{\partial t}|_{i-thermal-R-G}=-c_nN_T\Delta n=-\frac{\Delta n}{\tau_n}
      • τp=−(cpNT)−1\tau_p=-(c_pN_T)^{-1} : hole의 lifetime
    • perturbation이 없는 일반적인 경우
      • ∂p∂t∣i−thermal−R−G=∂n∂t∣i−thermal−R−G=ni2−npτp(n+n1)+τn(p+p1)\frac{\partial p}{\partial t}|_{i-thermal-R-G}=\frac{\partial n}{\partial t}|_{i-thermal-R-G}=\frac{n_i^2-np}{\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}
      • n1≡niexp[(ET−Ei)/kT]n_1\equiv n_iexp[(E_T-E_i)/kT]
      • p1≡niexp[(Ei−ET)/kT]p_1\equiv n_iexp[(E_i-E_T)/kT]

  • Direct semiconductor의 경우
    • R=A(n−n0)+B(np−ni2)+C1(n2p−n02p0)+C2(np2−n0p02)R=A(n-n_0)+B(np-n_i^2)+C_1(n^2p-n_0^2p_0)+C_2(np^2-n_0p_0^2)
      • AA : R-G center Recombination
      • BB : Band-to-Band Recombination
      • C1, C2C_1,\ C_2 : Auger Recombination
      • 캐리어 농도에 따라 lifetime 변화
      • ex. silicon
        • τn=(3.45×10−12NA+9.5×10−32NA2)−1\tau_n=(3.45\times10^{-12}N_A+9.5\times10^{-32}N_A^2)^{-1}
        • τp=(7.8×10−13ND+1.8×10−31ND2)−1\tau_p=(7.8\times10^{-13}N_D+1.8\times10^{-31}N_D^2)^{-1}

4. Minority Carrier Lifetime & Measurement

  • 외부 에너지에 의해 추가된 carrier는 지수적으로 감소
  • Δn(t)=Δn(0)exp[−t/τn]\Delta n(t)=\Delta n(0)exp[-t/\tau_n]
  • ln[Δn(t)]=ln[Δn(0)]−t/τnln[\Delta n(t)]=ln[\Delta n(0)]-t/\tau_n
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