반도체 기초 Chapter 8 - 2. 이상적인 pn접합 다이오드의 특성
Chapter 8 - 2. 이상적인 pn접합 다이오드의 특성
- 이상적인 pn 접합 다이오드의 전류-전압 특성
이상적인 pn 접합 다이오드의 전류-전압 특성은 소수 캐리어가 어떻게 이동하는지에 따라 결정된다.
이상적인 pn 접합 다이오드의 전류
확산에 의한 소수 캐리어의 이동에 따른 전류가 주도 전류이다.
- 이유 ①: 농도 변화에 의한 확산 전류 >> 전계에 의한 드리프트 전류
다이오드 전류는 농도 변화에 의한 확산 전류와 전계에 의한 드리프트 전류의 합이다. 하지만 pn접합 다이오드에 전압이 인가될 때 주입되는 과잉 캐리어는 열평형 상태의 다수 캐리어 농도보다 훨씬 적다. 따라서 농도 변화에 의한 확산 전류와 비교하면 전계에 의한 드리프트 전류는 무시할 수 있다.
- 이유 ②: 중성 영역과 공간전하 영역의 경계에서 소수 캐리어 확산 전류 = 공간전하 영역 내의 전류
이상적인 pn접합 다이오드에서는 공간전하 영역 내에 캐리어 생성-재결합이 일어나지 않는다고 가정한다. 따라서 공간전하 영역 내의 전류는 소수 캐리어 확산 전류와 같다.
이상적인 pn 접합 다이오드의 전압에 따른 전류
다이오드에 흐르는 전류는 전 구간에 걸쳐 일정하다고 가정한다.
- 임계 전압 값 넘어간 후: 인가 전압이 증가할수록 전류가 급격하게 증가
- 임계 전압 값 되기 전: 역방향 포화/누설전류 (전압의 크기와 관계없이 전류는 역방향으로 일정하게 형성된다.)
역방향 포화/누설전류를 결정하는 요소
- 다이오드를 구성하는 반도체 특성 (캐리어 평균 수명, 확산 길이, 확산 계수와 이동도 등)
- 소자의 기하학적 구조 (접합 면적, 중성 영역의 길이 등)
- 동작 온도
- 도핑 농도
- 이상적인 pn 접합 다이오드에서 중성 영역의 길이와 소수 캐리어 확산 길이의 관계에 따른 전류
중성 영역의 길이 >> 소수 캐리어 확산 길이
다이오드에 흐르는 전류는 확산 길이에 따라 영향을 받는다. 중성 영역의 길이와는 관계없다.
소수 캐리어 확산 길이일 때 >> 중성 영역의 길이
다이오드에 흐르는 순방향 전류는 전 구간에 걸쳐 일정하다. 역방향 포화 전류는 중성 영역의 길이에 반비례한다.
요약
pn 접합 다이오드의 이성적인 전류는 확산에 의한 소수 캐리어 이동에 의해 결정된다.
다이오드에 흐르는 전류는 임계 전압 이전에는 역방향 포화/누설 전류로 일정하게 유지된다. 임계 전압 이후에는 전압이 증가함에 따라 급격하게 증가한다.
다이오드에 흐르는 전류는 중성 영역의 길이와 소수 캐리어 확산 길이의 관계에 따라 영향을 받는다.
참고
열 방출(thermionic emission)
다이오드에 순방향 전압이 인가되면 각각의 중성 영역 과잉 캐리어가 반대편 중성 영역으로 에너지 장벽을 넘어가는 현상
pn 접합 다이오드에서 n형 영역의 전자 농도 >> p형 영역의 정공 농도일 때 전류-전압 특성
전자의 확산 전류가 곧 pn 접합 다이오드 전체 전류이다.
역방향 포화 전류는 동작 온도가 높을수록, 에너지 밴드갭이 작을수록 크다.