반도체(11-2) PN junction, PN접합 + Reverse bias(역 바이어스)

바이어스는 외부에서 전압을 인가했다고 보면 된다.

 

먼저 역 바이어스(Reverse bias)부터 알아보자

 

 

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역방향 바이어스 : P영역과 비교하여 N 영역에 양의 전압이 가해진 경우.

이 때의 에너지 밴드 다이어그램을 살펴보자.

 

 

 

 

옴의 법칙에 의해서, 인가된 역 바이어스 전압은 모두 공핍층에 걸리게 된다.

따라서, 전위 장벽(potential barrier)는 qϕbi 에서 qϕbi + qVr 으로 증가함.

 

 

** 모든 전압이 공핍층에 걸리는 이유는 

공핍층에는 캐리어가 거의 없음 -> 전압은 저항이 가장 큰 곳에 걸림 -> 그래서 공핍층에 다 걸림

 

 

그림을 보고 생각해보면

전자는 P에서 N으로의 drift current, 정공은 N에서 P로의 drift current가 흐를 환경이 만들어짐. 하지만, 소수 캐리어로 농도가 낮기 때문에 전류는 아주 작음.

 

역바이어스가 걸리면 이렇게 바뀌는데... 다른 것도 바뀌지 않았을까?

 

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공핍층의 폭은 어떻게 바뀌었을까??

 

역 바이어스 하에서, 공핍층은 그것에 걸린 큰 전압 강하를 감당하기 위해 넓어지게 된다. 

 

 

Built in potential 도 커졌고 그래서 폭도 바뀌었다. 

 

근데 이 폭이 넓어진 것을 다르게 바라보는 관점도 존재한다.

 

바로 공핍층이 넓어진 다이오드를 Capacitor로 보는 관점이다.

(역 바이어스된 다이오드는 “Voltage-Dependent Capacitor”로 볼 수 있다.)

 

역 바이어스 하에서는 평행판 커패시터로 모델링할 수 있다 그래서 아래 식을 이용할 수 있다.

**이 식을 응용하면 Vr을 조정해서 원하는 C를 만들 수 있다. 누군가는 이용해먹겠지?

 

그리고 이 식을 한 번 그래프로 해석해볼 수도 있는데

 

 

 

기억나나 모르겠네?

이전 글에서 도핑농도가 P와 N은 다를 것이고 도핑농도가 낮은 쪽에 공핍층이 몰린다고 했던 것 같은데??

 

그래서 이 그래프를 이용해서 공핍층의 넓이로 역으로 도핑농도를 알 수 있냐 물어본 것이다.

 

예제 한 번 보고가자

 

 

 

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아까 역 바이어스에서는 정말 소량의 전류만 흐른다고 했는데

실제로 바이어스를 조절하다보면 어느 시점이 온다.

 

 

 

그 시점을 알아보자

 

그 시점은 Breakdown voltage라고 하고 

그 현상은 접합 항복 (Junction Breakdown) 라고 한다.

 

즉, 역 바이어스 하에서는 전류가 거의 흐르지 않지만, 어느 바이어스 이상이 되면 갑자기 전류가 증가하는 것이다.

 

++하지만, 접합 항복이라고 해서 소자가 본질적으로 파괴되는 것을 의미하는 것은 아님. (소자의 물리적 파괴 x)

 

 

제너 다이오드(Zener Diode) : 의도적으로 항복 모드에서 동작하도록 설계된 다이오드. 전류 값에 상관없이 항상 일정한 전압을 유지시킬 수 있는 특징을 가짐.

 

** 제너 다이오드도 활용가능하다. 우선 난 아니고 일정한 전압을 유지시키면서 전류를 올리고 싶은 사람이 이용하겠지?

 

 

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그래서 그 전압과, 전기장이 어떻게 되는지 살펴볼까?

 

피크 전계 (Peak Electric Field)는 역 바이어스 하에서 전기장의 최대값은 x=0 (접합면)에서 존재한다.

 

 

 

그림에서 보다시피 Reverse bias가 커지면 같이 전기장의 세기도 증가한다.

그렇지만 최댓값은 여전히 접합면에서 가진다.

 

 

위의 그림을 식으로 살짝 다시 표현해보면

 

 

**N타입 도핑이 많이 되어있으면 P타입으로 공핍층 길이가 쏠리는 것은 이전 글에서 배웠다.

 

 

** 왜 접합면에서 최댓값을 가지는지 식으로 확인하고 이해하자

 

 

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근데 전기장이 커진다는 것은...? 전압이 높아진 것이고 전압이 높아지면 built in potential도 커지는데??

 

뭔가 생길 것 같은 예감이다.

 

 

 

Tunneling Breakdown(터널링 항복) : 고농도로 도핑된 접합이 역 바이어스될 때, P쪽 가전자 대역의 다량 

의 전자는 N쪽 전도 대역의 빈상태와 매우 짧은 거리를 두고 분리된다.

 

 

 

**터널링 발생. (band-to-band tunneling) // quantum machanics.. 우리는 그냥 받아들여.

 

 

 

터널링 전류 밀도는 전기장 역수의 지수함수 의존성을 가진다. (참고하자)
터널링이 일어나기 위한 임계 전계는 실리콘의 경우 10^6 V/cm이다. 
최근에는 이러한 원리를 의도적으로 사용하는 트랜지스터도 있음. (TFET) 

// 최근에 쓴다는데 왜 쓰는지는 아직 모르겠다. 알아보자

 

 

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어쨌든 역바이어스가 걸리면 전자의 에너지 상태가 올라간다. 그래서 생기는 현상이 또 하나 있다.

 

Avalanche Breakdown, 해석하면 눈사태라는 것인데 눈사태처럼 조금으로 시작되었던게 커지는 것을 뜻한다.

 

 

Impact Ionization(이온화 충돌) : 전계가 더욱 증가(터널링 항복보다 더 큰 전압)하게 되면, P영역의 소수 캐리어 전자는 더 높은 운동 에너지를 얻는다. 충분히 큰 에너지(Eg이상의 운동에너지)를 가지는 전자가 원자에 구속된 전자와 충돌하게 되면, 전자-정공 쌍을 생성시킨다.  //물론 Tunneling도 일어난다. 

 

**어떻게 위쪽에 있는 전자랑 밑에 있는 전자랑 충돌하냐고 할 수 있는데 저 다이어그램에서 Y축은 위치를 나타낸 것이 아니다. 전자의 에너지를 나타낸 것이다. 

 

**저렇게 1개의 전자가 와서 박고 에너지 전달해서 2개가 되고 그 2개는 또 2개랑 박아서 4개가 되고 ..... 그렇게 기하급수적으로 늘어나서 눈사태라고 부른다. (postive feedback 이라고 한다)

 

 

애벌런치 항복 : 이온화 충돌에 의해 생성된 캐리어는 또 다시, 전기장에 의하여 가속되어 새로운 impact ionization을 유발한다. 즉, 일종의 positive feedback에 의하여 눈사태처럼 캐리어 개수가 불어날 수 있다. 이로 인하여 전류가 증가할 수 있다.

 

 

일반적으로 band gap이 작은 물질일 수록 이온화 충돌은 잘 일어난다. (발생 전압이 낮다.)

// band gap이 작아야 P type의 Valence 밴드가 N type의 Conduction 밴드보다 쉽게 높아지지 ㅎㅎ 

//근데 일반적이라는 말은 예외도 있다는 것인데...?

 

 

이번엔 역 바이어스, Reverse biased PN junction을 살펴보았다. 

다음엔 정 바이어스, Forward biased PN junction을 살펴보자