반도체 기초 Chapter 7 - 2. pn 접합 형성과 에너지 대역도

Chapter 7 - 2. pn 접합 형성과 에너지 대역도

 

 

• pn 접합

pn 접합 소자의 전기적 특성은 에너지 대역도를 이용해서 해석한다.

 

에너지 대역도를 이해하기 위한 과정

1) 접합 형성 전, 전압이 인가되지 않았을 때 각 영역의 에너지 대역도 확인

열평형 상태에서 접합의 형태나 구조에 관계없이 이동 전하의 이동이 없으며 전류가 흐르지 않는다. 또한 페르미 준위 분포는 전 영역에 걸쳐 일정하다.

 

2) 접합 형성 후, 전압이 인가되었을 때 에너지 대역도 변화 / 이동 전하의 농도 변화 확인

접합이 된 직후 전자와 정공이 이동하며 전류가 흐르기 시작한다. 열평형 상태에 도달하면 전류는 일정하게 흐른다.

 

접합 형성 전, 각 영역의 캐리어 농도

p형 영역의 정공(다수 캐리어) 농도 = 억셉터 농도

p형 영역의 전자(소수 캐리어) 농도 = ni 제곱 / 억셉터 농도

n형 영역의 전자(다수 캐리어) 농도 = 도너 농도

n형 영역의 정공(소수 캐리어) 농도 = ni 제곱 / 도너 농도

 

접합 형성 후, 일어나는 과정

pn접합 형성 후  p형 영역의 정공과 n형 영역의 전자는 각각 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 확산한다.

 

- 가전자 대역에서

정공의 이동 경로: p형 영역 → n형 영역

억셉터 원자는 정공(양의 전하)를 잃고 음의 고정 전하가 된다.

 

- 전도 대역에서

전자의 이동 경로: n형 영역 → p형 영역 

도너 원자는 전자(음의 전하)를 잃고 양의 고정 전하가 된다.

 

공간전하 영역(공핍 영역)

pn 접합에서 고정 전하만 존재하는 영역

 

두 영역의 농도 비가 각 영역의 공간전하 영역 두께를 결정한다.

예를 들어 n형 영역의 불순물 농도가 더 크면 p형 영역의 공간전하 영역의 두께가 더 크다.

 

내부전계

공간전하 영역(공핍 영역)에서의 고정 전하는 내부 전계를 만든다. 그리고 이 전계는 전자와 정공의 확산을 방해한다.

전자와 정공이 확산되면서 고정 전하의 수가 증가할수록 내부 전계는 세진다. 내부 전계로 인해 캐리어가 더 이상 이동하지 않으면 열평형 상태가 된다.

 

열평형 상태의 내부 전계

- 접합의 경계면에서 가장 세다.

- 각 영역의 농도 차이가 클수록 세다.

 

중성 영역

공간전하 영역이 아닌 영역이다. pn 접합 형성 후 내부전계 형성과 캐리어 이동은 접합의 경계면에서 활발하다. 접합 경계면에서 멀리 떨어진 영역은 전하의 이동이 없기 때문에 전기적으로 중성이다.

 

공간전하 영역 구분 가정

공간전하 영역과 중성 영역은 명확하게 구분할 수 있다고 가정한다. 참고로 불순물 농도가 높을수록 영역 구분은 분명해진다.