반도체(11) PN junction, PN접합

 

반도체에 관한 정말 기본적인 지식은 알았으니까.. 이제 정말 응용으로 가보자

PN juntion이다. PN 접합이라고도 부른다

 

 

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PN 접합 ?? 뭔지부터 알아보자

 

 

 

구조적으로 P-type 과 N-type 반도체를 붙혀놓은 건데

 

특징으로는

정류성(rectifying)의 전류-전압 특성을 갖는다. // 정류성이란 한쪽으로만 흐른다. 방향이 정해져있다라는 뜻

PN 접합 소자를 정류기(rectifier) 혹은 다이오드(diode)라고 부르기도한다.

 

**저기 diode symbol은 고등학교 때 물리보면 많이 나오지? 꼭 알아두자 ㅎ

** bias에 따라 I의 식이 있는데 꼭 알아두고  원래 Reverse 그림 더 그려야하는데.. 나중 글에서 알아보자

PN 접합은 태양전지, 발광 다이오드(LED), 다이오드 레이저의 기본 구조가 되고, 모든 형태의 트랜지스터에 존재한다.

 

나중에 알아볼거지만 태양전지, LED가 뭔지 살짝만 볼까?

 

왼쪽 태양전지  오른쪽 LED

 

쟤네들도 뭔가 PN 접합을 이용했구나 ~ 만 알고 가자

 

 

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분명 N-type과 P-type은 다른데 에너지 밴드가 어떻게 될까??

 

 

계단 접합(Step junction or abrupt junction) : P영역과 N영역이 각각 Na 와 Nd 로 균일하게 도핑된 경우

(경계면에서는 Nd -> Na 로 불연속 변화)  //당연히 실제로는 불연속 변화는 아니다.

 

 평형상태 (제로 바이어스 전압)에서의 에너지 밴드 다이어그램 : 단 하나의 fermi - level을 가진다.

 

 

그림을 보자 (평형상태의 그림이다)

[PN junction at equilibrium (V=0)]

 

band gap은 어디서든 같아야하니까 저렇게 smooth curve로 이어진다.

 

 

**공핍층(Depletion Layer) : 가운데 층에서 Ef는 Ev에도 Ec에도 가깝지 않다.

따라서, 전자 농도와 정공 농도가 모두 매우 적다. (n≒0, p≒0)

 

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에너지 밴드 다이어그램을 보니까 밴드의 높이가 달랐는데 이어졌네??

 

이 밴드 높이 차이에 대해서 알아보자.

 

바로 내부 전위(Built in Potential)이라고 한다.

 

공핍층에서 Ec와 Ev가 평평하지 않다.(에너지 밴드 높이차이) >> 전압 차이가 존재함을 의미.

 

**전압차이( 𝜙bi)를 내부 전위(built-in potential)이라 함. 

내부 전위는 PN 접합 외에도 두 개의 서로 다른 물질이 경계면을 이루는 경우에 언제나 존재한다.

 

 

 

그럼 built in potential을 구하고 싶은데 어떻게 구하지?

 

fermi-level을 이용한 전자 농도 구하는 공식 기억나나? (여기선 도핑되어 있네?)

 

저렇게 구한다. 식은 외워둘만은 하다. 

 

 

 

 

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PN 접합에 대해 사실 이해가 잘 안갈 수 있다. 

왜 내부 전위가 생기는지??

그래서 준비했다.

 

 

평형상태에서의 공핍층 발생하는 이유?

 

시간 순서대로 가보자

**우선 N-type, P-type 둘다 전기적으로는 중성이다.

 

1. t=0일때, PN junction이 생성되었다고 가정하자. 전자와 정공은 접합을 향해서 확산이 발생

2.전자와 정공이 서로 만나서, 재결합으로 사라짐. //이 때 전자를 주니까 양이온이 N-type이 남게 되는 것이다.

3. 캐리어는 사라지고, 도펀트 이온만 노출됨.  // P형도 마찬가지

4. 전기장 형성 // 전하를 띄게 되는 것이다. 

5. 전기장방향은 확산과 반대방향 (전위 장벽) 

6. 확산 전류를 막아서, net current 0이 될 때까지 전기장 증가.

 (확산과 드리프트 간의 평형, 그 때, built-in potential 결정.) // 확산으로 넘어가려는 힘 = 전기장때문에 넘어가려는 힘 

 

1,2,번이 제일 중요해 !! 이 때문에 내부 전위가 생기는 것이다.

 

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사실 이렇게 말고 수학적으로 증명할 수 있음 알고만 넘어가자 ㅎㅎ

 

 

넘어가자 얼른 ㅎ 

전류 구하는 공식 알지?? 그거 사용하면 저렇게 유도 가능하다.

 

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2차 방정식에 근의 공식이 있다면 반도체에는 포아송 방정식이 있다. 

알아보자

 

우선 이름은 포아송 방정식(Poisson’s Equation) 

반도체 내의 전하량 밀도가 주어져 있을 경우, 전위 분포(전압 또는 전기장)를 찾는데 사용.

 

?? 설명을 듣고나니까 뭔가가 떠오르는데? 내부 전하량 구하기??

가우스 법칙이 떠오르면 정말 열정있는 사람.. 난 안 떠올랐는데.

 

 

**가우스 방정식이 폐곡면 바깥쪽으로의 전기장만 고려한다면

포아송은 그림에서 보다시피 E(x)가 안쪽으로 향하기 때문에 - 를 붙혀서 해결했다.

 

이 식은 꼭 외우도록 한다.

의미는 반도체 내부에 전하가 있고 그 전하로 인한 전기장을 구하고

전기장을 알면 전압도 알 수 있다는 뜻이다.

 

** 전기장의 기울기를 알면 공핍층의 다이어그램을 더 잘그릴 수 있겠구나?? 하는 사람은 멋진 사람

 

 

여기까지만 알아보고 이따가 더 알아보자