반도체 기초 Chapter 9 - 2. 이종접합 다이오드의 전류-전압 특성

Chapter 9 - 2. 이종접합 다이오드의 전류-전압 특성

 

이종접합 Np다이오드와 동종접합 np다이오드의 전류-전압 특성 차이점

- 전자와 정공에 대한 에너지 장벽의 차이

- 전압이 인가되었을 때 전자와 정공의 열 방출량 차이

- 중성 영역의 고유 캐리어 농도 차이

- 과잉 캐리어의 평균수명, 확산계수 및 확산길이 차이

- 과잉 캐리어 농도 분포와 전류밀도 분포에 차이

 

이종접합 다이오드의 전류-전압 특성은 에너지 밴드갭이 큰 영역에서 작은 영역으로 이동하는 캐리어가 큰 영향을 미친다. 왜냐하면 에너지 밴드갭이 작은 영역에서 큰 영역으로 이동하는 캐리어의 양은 매우 작기 때문이다.

 

 

• 이종접합의 과잉 캐리어 농도 분포

일정한 DC 전압이 인가되고 있는 정상 상태의 이종접합 Np다이오드

중성 영역에서 전계가 존재하지 않고 내부에서 캐리어도 생성되지 않는다.

 

- 밴드갭이 큰 N형 중성영역의 과잉 캐리어 농도 분포

과잉 캐리어 농도는 소수 캐리어인 정공의 확산방정식으로 구할 수 있다.

 

- 밴드갭이 작은 p형 중성영역의 과잉 캐리어 농도 분포

과잉 캐리어 농도는 소수 캐리어인 전자의 확산방정식으로 구할 수 있다.

 

동종접합과 이종접합의 캐리어 이동

- 동종접합의 캐리어 이동

높은 도핑 영역 → 낮은 도핑 영역

 

- 이종접합의 캐리어 이동

에너지 밴드갭이 큰 영역 → 에너지 밴드갭이 작은 영역 (도핑 농도와 관계없음)

 

 

 

• 이종접합 Np다이오드의 전류-전압 특성

각각의 중성 영역에는 전계가 생성되지 않기 때문에 과잉 소수 캐리어가 이동하여 확산 전류가 형성된다.

 

- 이종접합 중성 영역에서의 소수 캐리어 농도

밴드갭이 큰 영역에서 작은 영역으로 이동하는 소수 캐리어 농도 > 밴드갭이 작은 영역에서 큰 영역으로 이동하는 소수 캐리어 농도

 

따라서 에너지 밴드갭이 큰 N형 영역에서 밴드갭이 작은 p형 영역으로 이동하는 소수 캐리어(전자)에 의해 확산 전류가 형성되고, 역방향 포화전류도 소수 캐리어(전자)에 의한 확산 전류가 만들어진다.

 

• 금속-반도체 접합의 종류

- 저항성 접합: 전류의 방향성이 없고 전압에 비례

- 쇼트키 접합: 한 방향으로는 전류가 잘 흐르고 반대 방향으로는 전류가 흐르지 않음

 

금속-반도체 접합의 전기적 특성을 이해하기 위해 금속을 반도체로 해석한다.

- 가전자 대역과 전도 대역이 겹쳐 있는 에너지 대역도를 가지고 있다. 즉, 에너지 밴드갭이 0이다.

- 매우 높은 전기전도도를 가지고 있다.

- 전자 농도와 정공 농도가 매우 높다.

- 과잉 캐리어의 평균 수명과 확산 길이가 매우 짧다.

- 금속 내부에는 과잉 캐리어가 생성되지 않는다. 따라서 항상 열평형 상태이다.

금속은 반도체와의 조합에 따라 적용되는 역할이 다양하다.

 

금속-반도체 접합은 저항성 접합으로 동작할 수도 있고 쇼트키 접합으로 동작할 수도 있다. 금속의 일함수, 반도체의 전자 친화도 및 일함수에 의해 결정된다.

 

금속 - n형 반도체 조합

1) 금속의 페르미 준위 위치가 Ev보다 Ec에 가까울 때

= 금속의 페르미 준위가 n형 반도체의 페르미 준위보다 높은 에너지 준위일 때

→ 금속은 아주 높은 전자 농도의 n형 반도체가 된다. (nn동형접합과 같다)

     선형 전류-전압 특성을 가진다. (저항성 접합)

 

2) 금속의 페르미 준위의 위치가 Ec보다 Ev에 가까울 때

= 금속의 페르미 준위가 n형 반도체의 페르미 준위보다 낮은 에너지 준위일 때

→ 금속은 아주 높은 정공 농도의 p형 반도체가 된다. (pn이형접합과 같다)

     이형접합과 같이 정류성 전류-전압 특성을 가진다. (쇼트키 접합)

 

금속 - p형 반도체 조합

1) 금속의 페르미 준위 위치가 Ec보다 Ev에 가까울 때

= 금속의 페르미 준위가 p형 반도체의 페르미 준위보다 낮은 에너지 준위일 때

→ 금속은 아주 높은 전자 농도의 p형 반도체가 된다. (pp동형접합과 같다)

     선형 전류-전압 특성을 가진다. (저항성 접합)

 

2) 금속의 페르미 준위의 위치가 Ev보다 Ec에 가까울 때

= 금속의 페르미 준위가 p형 반도체의 페르미 준위보다 높은 에너지 준위일 때

→ 금속은 아주 높은 정공 농도의 n형 반도체가 된다. (pn이형접합과 같다)

     이형접합과 같이 정류성 전류-전압 특성을 가진다. (쇼트키 접합)

 

 

 

요약

이종접합 다이오드의 전류-전압 특성은 동종접합과 차이가 있으며 여러 요소에 의해 결정된다.

이종접합에서는 밴드갭이 큰 영역에서 작은 영역으로 이동하는 캐리어가 전류-전압 특성에 영향을 준다.

금속-반도체 접합은 금속의 페르미 준위 위치에 따라 저항성 접합 또는 쇼트키 접합으로 동작할 수 있다.