반도체(11-4) PN junction, PN접합

역 바이어스랑 정 바이어스에서 전류, 전압을 배웠으니 추가 설명을 해보려한다

 

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우리는 앞에서 다이오드 전류를 구할 때 공핍영역(=공간 전하 영역,space-charge region) 에서 캐리어들의 재결합 또는 생성이 없다는 것을 가정 하에 구했다. 

 

**실제로는 공핍영역 내에서 순 캐리어 재결합 또는 순 캐리어 생성이 존재하고 이들은 전류에 기여할 수 있다.

 

그럼 실제로는 전류가 공핍영역으로부터 영향을 받는다는 것이다.

 

우선 식을 볼까

공간 전하 영역에서의 재결합률 : 공핍층에서 단위 면적당 재결합률은

 

 

**식을 외울필요는 없다. shockley boundary condition을 적용하면 위의 식이 나온다.

 

재결합률이 최대가 되는 점을 구하고, 이 최대값에 공핍층의 폭을 곱해서 근사적으로 구하는 방법을 적용하자.

 

**공핍층 내부에서는 다음의 식이 성립하고, n ≒ p 일 때가 재결합률이 최대가 된다.

 

 

Et = Ei 이고 시그마도 다 같다고 가정하자

 

 

**양수일 때는 순 재결합 존재, 음수일 때는 순 생성 존재 그리고 V=0 (평형)일 때는 재결합/생성 비율이 0 이 된다.

 

 

결국 다시 말하자면

 

공간전하 영역 전류(SCR current)를 고려한 전체 다이오드 전류 : 다이오드 끝의 금속 접점에서 공급해주어야 하는 총 캐리어 양은 (중성영역에서의 재결합양) +  (공핍층에서의 재결합) 양이다. 

 

 

 

 

그림보고 좀더 이해해보자

 

 

 

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다음으로는 전하 축적 (charge storage)에 대해서 알아보자

 

 

 

따라서, 축적된 전하 Q는 I에 비례하며, 다음과 같은 비례상수 𝜏𝑆를 이용하여 나타 낼 수 있다.

 

 

** I = dq/dt 니까 상수도 시간상수가 들어갔다. 당연한 이치다.

 

 

𝝉𝑺 : 전하-축적 시간(charge-storage time). 일반적으로 중성 N영역과 P영역에서의 재결합 수명의 평균이다.

 

**전하 축적의 의미 : 정바이어스된 다이오드는 커패시턴스 성분을 가짐. // 전하 축적은 다 커패시턴스 성분을 가진다.

 

 

 

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++ 다이오드 소신호 모델에 대해 살짝 발만 담그고 가자

 

 

다이오드 소신호 동작

 

 

 

 

Small-signal analysis : 다이오드는 DC 전압 (VDC=VD1)에 의하여 바이어스되는데,  다이오드 전압이 조금 변화할 때(∆𝑉𝐷), 다이오드가 이에 얼마나 반응하느냐(∆𝐼𝐷) 를 분석하는 것을 소신호 분석(small-signal analysis)라 한다

 

 

**다이오드의 소신호 동작은 다음과 같은 등가회로로 바꿔서 해석할 수 있다. 

다이오드의 RC delay = 전하 축적 시간 𝝉𝑺

 

**이 커패시턴스는 종종 확산 커패시턴스(diffusion capacitance)로 부르기도 한다.  (정 바이어스 상태에서 다이오드에 나타나는 커패시턴스 성분으로 전하 축적과 관련되어 있고, 전하 축적은 확산 과정과 관련되어 있기 때문이다.)