이번에는 Diode에 대해서 포스팅하겠습니다.
Diode의 구조는 다음과 같습니다.
P 타입 반도체와 N 타입 반도체를 붙여놓은 것입니다.
이렇게 P 타입 반도체와 N 타입 반도체가 붙은 경계면을 PN juction (PN 접합)이라고 합니다.
이 두 반도체를 어떻게 붙였을까요? 납땜? 용접?
정답은 하나의 실리콘 조각에 한 쪽은 P-type 불순물을, 한 쪽은 N-type 불순물을 주입한 것입니다.
P-type 불순물을 주입한 P 타입 반도체에는 전자보다 홀이 더 많습니다.
물론 열 에너지에 의해 발생한 EHP (Electron Hole Pair - 열에너지에 의해 발생한 홀과 전자는 똑같은 수의 쌍으로 형성됨)가 있으므로 불순물에 의해 생성된 홀 말고도 이렇게 열에 의해 발생한 홀과 전자도 존재하는데,
그 개수가 워낙 미량이라서 불순물에 의해 생겨난 홀이 전자보다 월등히 많이 존재합니다.
그렇다면 이 Diode는 어떤 동작을 할까요?
전류가 한 방향으로만 흐르고 그 반대 방향으로 흐르지 않습니다.P-type 불순물을 주입한 P 타입 반도체에는 전자보다 홀이 더 많습니다.
물론 열 에너지에 의해 발생한 EHP (Electron Hole Pair - 열에너지에 의해 발생한 홀과 전자는 똑같은 수의 쌍으로 형성됨)가 있으므로 불순물에 의해 생성된 홀 말고도 이렇게 열에 의해 발생한 홀과 전자도 존재하는데,
그 개수가 워낙 미량이라서 불순물에 의해 생겨난 홀이 전자보다 월등히 많이 존재합니다.
그렇다면 이 Diode는 어떤 동작을 할까요?
이를 Diode라고 하며, 전류가 한 방향으로만 흐르는 것을 Rectification(정류)라 합니다.
일반적으로 전극에서 환원반응이 일어나는 곳을 cathode, 산화반응이 일어나는 곳을 anode라 합니다.
그러므로 상대적인 electric potential에 의해 결정되는 양극과 음극으로 단순히 정의하기 어렵습니다.
그러나, Diode에서 반도체는 p형과 n형이 있는데 p형 반도체 방향을 anode, n형 반도체 방향을 cathode라 합니다.
PN 접합은 특정 온도에서 빛이나 전압같은 외부 자극이 없을경우 Thermal equilibrium (열평형) 상태에 도달하게 됩니다.
여기서, n⋅p = ni2 에 의해 Thermal equilibrium에서 P영역에선 1cm3당 Na개의 major carrier인 홀과 ni2/Na개의 minor carrier인 전자가 존재하고,
N영역에선 1cm3당 Nd개의 major carrier인 전자와 ni2/Nd개의 minor carrier인 홀이 존재합니다.
(중성 영역에서는 이온의 수와 Carrier의 수가 같아 전기적으로 중성이라고 합니다.)
그렇다면, 지금부터 PN 접합면에서 무슨 일이 일어나는지 관찰 해보겠습니다!
1. P형 반도체와 N형 반도체가 접합되게 되면, 접합면에서는 Carrier의 농도차이에 의해 Diffusion(확산)이 일어납니다.
(홀은 농도가 낮은 n영역으로, 전자는 농도가 낮은 p영역으로)
2. 이러한 diffusion이 진행되면 넘어간 홀과 전자들이 교차하면서 Recombination (재결합)이 되어 사라지고, 그 접합 구간에는 움직일 수 없는 공간 전하 Na-와 Nd+가 남습니다.
이를 Depletion region (공핍영역 - carrier의 관점에서는 carrier가 존재하지 않고, 공간전하의 관점에서는 공간전하 영역이 됨)이라고 합니다.
depletion region에서는 움직일 수 없는 공간전하는 electric field를 형성하는데 이 내부 전기장은 외부에서 가해준게 아니라 스스로 발생시킨 것이므로 Built-in electric field라고 합니다.
이 built-in electric field는 홀과 전자의 확산을 방해하는 방향으로 작용하여, 확산하려는 힘과 평형을 이루는 지점에서 전자와 홀은 움직임을 멈추고 평형상태에 도달합니다.
3. electric field가 있다는 것은 전위차가 존재한다는 의미로 PN 접합면에 전압이 형성 됩니다.
이를 Built-in voltage라 하여 앞으로 Vbi라고 부르겠습니다.
실리콘 반도체에서 Vbi는 대략 0.7v 정도이고, p와 n의 중성영역에서는 전위차가 형성되지 않습니다.
built-in voltage는 도핑농도와 관련있습니다.
즉 도핑 농도가 높을수록 공간전하 영역에 남게 되는 공간전하가 많아지므로 built-in electric field와 built-in voltage는 높아집니다.
여기서 열평형 상태일 때 PN접합의 에너지밴드 다이어그램을 그려볼까요?
PN 접합은 Thermal equilibrium에서 일정한 Fermi 준위를 가집니다.
(이 때 P형과 N형의 중성영역에서 major carrier의 농도는 도핑농도 그대로 유지된다고 가정합니다.)
이 Thermal equilibrium에서는 PN접합 외부에서 온도, 전압 변화와 같은 자극을 가하면 깨져버립니다.
예를 들어, 반도체의 depletion region에 일정한 빛을 계속 쪼이면 에너지를 받아 전자와 홀의 쌍이 계속 생성되죠.
이렇게 원래보다 더 생성된 전자와 홀을 Excess carrier (잉여캐리어)라고 합니다.
하지만, 이 잉여캐리어는 신경 쓸 필요가 없습니다.
왜냐면, 이 잉여캐리어가 많아지면 서로 다시 recombination하므로 결국 균형이 잡혀서 일정한 carrier 농도를 유지하게 되기 때문이죠. (이 상태를 Steady state라고도 함)
전압을 강제로 인가해서 Thermal equilibrium을 깨고 steady state를 만들때 전압을 Bias voltage라고 합니다.
이 bias voltage에 Forward bias와 Reverse bias가 존재합니다.
1. Forward bias
PN접합을 통해 anode를 (+), cathode를 (-)로 하여 전류가 흐르게 하는 것을 순방향 특성이라하며, 반대로 anode를 (-), cathode를 (+)로 하여 전류를 차단하는 되는 것을 역방향 특성이라 합니다.
그러므로 상대적인 electric potential에 의해 결정되는 양극과 음극으로 단순히 정의하기 어렵습니다.
그러나, Diode에서 반도체는 p형과 n형이 있는데 p형 반도체 방향을 anode, n형 반도체 방향을 cathode라 합니다.
PN 접합은 특정 온도에서 빛이나 전압같은 외부 자극이 없을경우 Thermal equilibrium (열평형) 상태에 도달하게 됩니다.
여기서, n⋅p = ni2 에 의해 Thermal equilibrium에서 P영역에선 1cm3당 Na개의 major carrier인 홀과 ni2/Na개의 minor carrier인 전자가 존재하고,
N영역에선 1cm3당 Nd개의 major carrier인 전자와 ni2/Nd개의 minor carrier인 홀이 존재합니다.
(중성 영역에서는 이온의 수와 Carrier의 수가 같아 전기적으로 중성이라고 합니다.)
그렇다면, 지금부터 PN 접합면에서 무슨 일이 일어나는지 관찰 해보겠습니다!
1. P형 반도체와 N형 반도체가 접합되게 되면, 접합면에서는 Carrier의 농도차이에 의해 Diffusion(확산)이 일어납니다.
(홀은 농도가 낮은 n영역으로, 전자는 농도가 낮은 p영역으로)
2. 이러한 diffusion이 진행되면 넘어간 홀과 전자들이 교차하면서 Recombination (재결합)이 되어 사라지고, 그 접합 구간에는 움직일 수 없는 공간 전하 Na-와 Nd+가 남습니다.
이를 Depletion region (공핍영역 - carrier의 관점에서는 carrier가 존재하지 않고, 공간전하의 관점에서는 공간전하 영역이 됨)이라고 합니다.
depletion region에서는 움직일 수 없는 공간전하는 electric field를 형성하는데 이 내부 전기장은 외부에서 가해준게 아니라 스스로 발생시킨 것이므로 Built-in electric field라고 합니다.
이 built-in electric field는 홀과 전자의 확산을 방해하는 방향으로 작용하여, 확산하려는 힘과 평형을 이루는 지점에서 전자와 홀은 움직임을 멈추고 평형상태에 도달합니다.
3. electric field가 있다는 것은 전위차가 존재한다는 의미로 PN 접합면에 전압이 형성 됩니다.
이를 Built-in voltage라 하여 앞으로 Vbi라고 부르겠습니다.
실리콘 반도체에서 Vbi는 대략 0.7v 정도이고, p와 n의 중성영역에서는 전위차가 형성되지 않습니다.
built-in voltage는 도핑농도와 관련있습니다.
즉 도핑 농도가 높을수록 공간전하 영역에 남게 되는 공간전하가 많아지므로 built-in electric field와 built-in voltage는 높아집니다.
여기서 열평형 상태일 때 PN접합의 에너지밴드 다이어그램을 그려볼까요?
PN 접합은 Thermal equilibrium에서 일정한 Fermi 준위를 가집니다.
(이 때 P형과 N형의 중성영역에서 major carrier의 농도는 도핑농도 그대로 유지된다고 가정합니다.)
이 Thermal equilibrium에서는 PN접합 외부에서 온도, 전압 변화와 같은 자극을 가하면 깨져버립니다.
예를 들어, 반도체의 depletion region에 일정한 빛을 계속 쪼이면 에너지를 받아 전자와 홀의 쌍이 계속 생성되죠.
이렇게 원래보다 더 생성된 전자와 홀을 Excess carrier (잉여캐리어)라고 합니다.
하지만, 이 잉여캐리어는 신경 쓸 필요가 없습니다.
왜냐면, 이 잉여캐리어가 많아지면 서로 다시 recombination하므로 결국 균형이 잡혀서 일정한 carrier 농도를 유지하게 되기 때문이죠. (이 상태를 Steady state라고도 함)
전압을 강제로 인가해서 Thermal equilibrium을 깨고 steady state를 만들때 전압을 Bias voltage라고 합니다.
이 bias voltage에 Forward bias와 Reverse bias가 존재합니다.
1. Forward bias
PN접합을 통해 anode를 (+), cathode를 (-)로 하여 전류가 흐르게 하는 것을 순방향 특성이라하며, 반대로 anode를 (-), cathode를 (+)로 하여 전류를 차단하는 되는 것을 역방향 특성이라 합니다.
출처
글
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