반도체 기초 Chapter 8 - 3. 공간전하영역의 열생성과 재결합 전류

Chapter 8 - 3. 공간전하영역의 열생성과 재결합 전류

 

이상적인 pn 접합 다이오드의 전류

→ 중성 영역에서 과잉 캐리어의 확산에 의한 전류만 고려한다.

 

실제 pn 접합 다이오드의 전류

→ 공간전하 영역의 전자와 정공의 생성 및 재결합에 의한 전류까지 고려한다.

 

 

• 공간전하 영역에서 전자와 정공의 생성 및 재결합에 의한 전류

전압의 세기와 방향에 따라 공간전하 영역에 형성되어 있는 전계의 세기와 방향도 변화한다.

n형 영역과 p형 영역이 접합됨으로써 결함 준위가 형성된다. 결함 준위의 위치와 농도가 공간전하 영역에서 전자와 정공의 생성 및 재결합에 영향을 미친다.

 

순방향 전압이 인가되었을 때

n형 영역으로부터 전자와 p형 영역으로부터 정공이 공간전하 영역을 통과하는데 그 과정에서 전자와 정공이 재결합하여  확산 전류 형성에 기여한다.

 

역방향 전압이 인가되었을 때

또한 전압에 의해 열에너지가 만들어진다. 이에 따라 공간전하 영역에 결함 준위로 인해 전자와 정공이 추가로 열생성된다. 그리고 전자는 n형 영역, 정공은 p형 영역으로 이동한다. 이렇게 공간전하 영역의 캐리어가 중성 영역의 캐리어와 함께 역방향 드리프트 전류 형성에 기여한다.

 

결함 준위가 밴드갭의 중간값일 때 가장 열생성이 잘 된다. 결함 준위가 많이 존재한다면 각 결함 준위에 의한 열생성을 모두 합친다.

 

재결합과 열생성이 잘 되는 경우

- 에너지 밴드갭이 작을 때

- 결함 농도가 높을 때

- 동작 온도가 높을 때

- 방향과 관계없이 전압이 클 때

 

 

 

요약

전압이 인가되었을 때 이상적인 접합 다이오드와 실제 접합 다이오드의 전압-전류 특성은 다르다. 중성 영역의 소수 캐리어 이동뿐만 아니라 공간전하 영역의 캐리어 이동까지 고려해야 한다.

재결합 전류와 열생성 전류는 접합 내에 존재하는 결함 에너지 준위 위치와 농도에 의해 결정된다.

 

순방향 전압이 인가되었을 때 pn 접합 다이오드의 전류

= 중성 영역의 소수 캐리어 확산 전류 + 공간전하 영역에서의 재결합에 의한 전류

 

역방향 전압이 인가되었을 때 pn 접합 다이오드의 전류

= 중성 영역의 소수 캐리어 드리프트 전류 + 공간전하 영역에서의 열생성에 의한 전류

 

 

 

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참고

 

반도체 내에서 일어나는 모든 생성 및 재결합을 평균 수명을 이용해서 구할 수 있다. 이를 통해 반도체 시스템의 대기 전력 소모량과 잡음 특성을 알아낼 수 있다.

 

중성영역에서 확산에 의한 역방향 누설 전류는 전압의 크기에 무관하다. 

 

기생저항

pn 접합 다이오드에는 중성영역의 길이 등 소자 구조에 의해 기생저항이 존재한다.

 

기생저항이 발생하는 조건

- 중성 영역의 길이가 길 때

- 금속과 반도체 접합 부분의 접촉

 

기생저항의 영향

- 순방향 전압 증가할수록 기생저항에 의한 전압 손실 증가

- 전력 낭비

- 잡음 발생

 

기생저항을 최소화하려면 중성 영역의 길이를 가능한 짧게 하는 것이 좋다.