반도체 기초 Chapter 7 - 4. 인가전압과 pn접합의 특성 변화

Chapter 7 - 4. 인가전압과 pn접합의 특성 변화

인가전압의 세기 및 방향 (순방향 or 역방향)을 통해 pn접합의 전하밀도, 전하 유동밀도, 전계분포, 전위분포, 에너지 대역도를 조절할 수 있다.

 

pn 접합에 인가한 전압에 관계없이

- 최대 전계 ∝ 인가전압 제곱근

- 도핑 농도가 낮을수록 최대 전계의 증가는 둔해진다. 따라서 고전압용 다이오드는 도핑 농도가 낮은 pn 접합을 이용한다.

- 두 영역의 도핑 농도 비에 의해 공간전하 영역의 폭이 결정된다.

 

pn 접합에 인가한 전압이 순방향일 때

인가전압이 순방향일 때, p형 영역에 양의 전압, n형 영역에 음의 전압을 가한다.

 

- 공간전하 영역의 폭과 공간 전하량이 감소한다.

- 두 영역의 중성영역의 전위차가 감소한다. 이에 따라 에너지 장벽 차이도 감소한다.

 

pn 접합에 인가한 전압이 역방향일 때

인가전압이 역방향일 때, n형 영역에 양의 전압, p형 영역에 음의 전압을 가한다.

 

- 공간전하 영역의 폭과 공간 전하량이 증가한다.

- 두 영역의 중성영역의 전위차가 증가한다. 이에 따라 에너지 장벽 차이도 증가한다.

 

 

• pn 접합의 정전용량

정전용량이란 전압 변화에 따른 전하량의 변화이다. 보통 정전용량을 활용해서 pn 접합의 전기적 특성을 이해한다.

특히 교류 신호 또는 스위칭과 같이 시간에 따라 입력값이 변화하는 응답 특성을 해석할 때 정전용량을 사용한다.

 

정전용량 구분

- 확산 정전용량

중성 영역 내의 정전용량

 

- 공핍 정전용량

공간전하 영역 내의 정전용량

 

공간전하 영역의 폭과 반비례한다.

1) 불순물 농도가 증가할수록 정전용량 증가

2) 순방향 전압이 증가할수록 정전용량 증가

3) 역방향 전압이 증가할수록 정전용량 감소

 

pn 접합의 공핍 정전용량은 평판 간격이 공간전하영역의 폭인 커패시터로 생각할 수 있다. 또한 인가전압의 세기에 따라 정전용량이 달라지는 전압 가변 커패시터와 같이 동작한다.

 

 

• 정전용량과 인가전압 관계

순방향 전압인 경우, pn 접합의 정전용량은 확산 정전용량으로 간주한다.

 

역방향 전압인 경우, pn 접합의 정전용량은 공핍 정전용량으로 간주한다. (확산 정전용량 = 0)

 

 

 

요약

pn 접합에는 인가된 전압에 따라 전하밀도, 전계분포 등이 변화하며 에너지 대역도 변화로 이어진다.

순방향 전압이 가해지면 공간전하 영역의 폭과 전하량이 감소하고 중성 영역의 전위차가 감소한다.

역방향 전압이 가해지면 공간전하 영역의 폭과 전하량이 증가하고 중성 영역의 전위차가 증가한다.

pn 접합의 정전용량은 확산 정전용량과 공핍 정전용량으로 나뉘며, 인가된 전압에 따라 변화한다.

 

 

 

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참고

 

단위면적당 접합 정전용량

전압 변화에 따라 전하량이 얼마나 변하는지 나타낸다.

 

pin 접합 용도

pin 접합은 pn 접합을 변형한 구조이다.

- 고전압/고전력용 다이오드

- 광신호 검출을 위한 광다이오드

- 태양광을 전기적 에너지로 변환하는 태양전지

- MOSFET 및 CMOS 집적회로를 구성하는 MOS 구조