반도체 기초 Chapter 8 - 1. pn접합 다이오드의 전류-전압 특성

Chapter 8 - 1. pn접합 다이오드의 전류-전압 특성

인가전압에 따라 pn접합 다이오드의 전류-전압 특성이 어떻게 변화하는지 이해하는 것이 중요하다.

 

pn 접합 다이오드는 중성영역의 소수 캐리어가 전기적 특성을 결정하는 bipolar 소자이다. pn 접합 다이오드에 전압을 인가하면 에너지 장벽의 변화에 의해 과잉 캐리어가 생성된다. 그리고 이 과잉 캐리어의 이동으로 전류가 형성된다.

 

- 전압을 인가했을 때 중성 영역 내에서 일어나는 현상

에너지 대역도 변화

과잉 캐리어 농도 분포 변화

 

- 전압을 인가했을 때 공간전하 영역 내에서 일어나는 현상

역방향 전압이 인가되었을 때 누설 전류 생성

순방향 전압이 인가되었을 때 전류-전압 특성 변화

기생저항 발생 및 이로 인한 전류-전압 특성 변화

 

 

• 이상적인 pn 접합 다이오드의 전류-전압 특성

pn 접합 다이오드의 전류-전압 특성에 영향을 미치는 요소들

- 동작 온도

- 소자의 기하학적 구조

- 인가 전압의 세기 (중성 영역과 공간전하 영역의 길이 등)

- 소자의 물질 특성(캐리어의 이동도, 확산계수, 평균 수명, 확산 길이)

 

에너지 대역도를 통해 pn 접합 다이오드의 인가전압에 따른 전류의 변화를 이해할 수 있다.

 

이상적인 pn 접합 다이오드 가정

- 가파른 농도 변화를 갖는다.

- p형 영역의 억셉터와 n형 영역의 도너는 균일한 도핑되어 있다.

- 공간전하 영역과 중성 영역의 구분이 명확하다.

- 인가 전압에 의해 생성된 과잉 캐리어 농도는 매우 적다.

- 접합의 단면적은 어디서든 일정하다.

- 전류는 어디서든 연속적이고 일정하다.

- 각 영역의 중성영역 사이의 캐리어 이동만 고려한다.

 

• 에너지 대역도의 변화

- 크기가 (V)인 순방향 전압이 인가되었을 때

열평형 상태에 비해 에너지 장벽이 qV만큼 낮아진다. 따라서 각 영역의 소수 캐리어는 에너지 장벽을 넘어 반대 영역으로  이동할 수 있기 때문에 전류가 만들어진다.

만약 DC 전압이 인가되어 정상 상태에 도달하면 캐리어가 일정하게 이동하고 공간적으로 균일하게 분포한다.

 

- 크기가 (V)인 역방향 전압이 인가되었을 때

열평형 상태에 비해 에너지 장벽이 qV만큼 높아진다. 따라서 각 영역의 소수 캐리어는 매우 적은 양이 반대 영역으로 이동한다. 즉 누설 전류가 흐른다.

역방향 전압의 세기와 관계없이 매우 작은 크기의 누설 전류가 흐른다.

 

 

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참고

 

과잉 캐리어 농도 분포

 

중성 영역에서의 과잉 캐리어 농도 분포 구하기

- p형 중성 영역: 전자에 대한 확산 방정식 사용

- n형 중성 영역: 정공에 대한 확산 방정식 사용

 

금속 접점에서의 과잉 캐리어 농도 분포

- 캐리어의 농도가 매우 높다

- 전기 전도도가 매우 높다

 

중성영역의 길이 >> 캐리어 확산 길이인 다이오드의 과잉 캐리어 농도 분포

- 접합의 경계로부터 멀어질수록 과잉 캐리어 농도는 급격히 감소한다. (중성 영역에서의 다수 캐리어와 재결합 때문)

 

중성영역의 길이 << 캐리어 확산 길이인 다이오드의 과잉 캐리어 농도 분포

- 접합의 경계로부터 멀어질수록 과잉 캐리어 농도는 일정하게 감소한다. (중성 영역에서의 다수 캐리어와 재결합 없음)