11강. PN접합 다이오드 소수캐리어(Minority Carrier) 분포

지난 포스팅에서 인가된 전압에 따라 PN다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 알아보았습니다.

이번에는 소수캐리어 분포를 살펴보고, 전류식을 유도하는 과정에대해 물성적으로 이해해보겠습니다.

지난 포스팅을 요약해보면, 전류의 흐름을 발생시키는 것은 확산전류임을 알 수 있습니다.

[전자공학/반도체] - 10강. 순방향전압(Forward Bias)과 역방향전압(Reverse Bias)인가 특성

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평형상태에서 PN다이오드의 캐리어 분포를 나타낸 그래프입니다.

위 그래프에서 소수캐리어의 분포를 보면 일정하게 유지됨을 알 수 있습니다.

소수캐리어들의 일부는 열운동에 의해 공핍영역으로 들어가게 되어 반대편으로 드리프트 전류성분으로 이동합니다.

하지만 이때, 다수캐리어의 확산에 의해서 상쇄되어 일정량을 유지할 수 있고,

나머지 확산된 전자와 정공들은 EHP에 의해 또 상쇄되어 농도를 유지할 수 있습니다.

 

평형상태 뿐만아니라, Forward Bias와 Reverse Bias를 인가했을 때, 소수캐리어 분포를 살펴보겠습니다.

 

1. Forward Bias인가 시 소수캐리어 분포

순방향 전압(Forward Bias)를 인가하면 에너지 장벽이 낮아지고, 다수캐리어들이 공핍영역을 지나 확산됩니다.

먼저, P-type반도체에서 생각해보겠습니다.

P-type반도체의 다수캐리어인 정공은 순방향 전압인가로 인해,

낮아진 에너지장벽을 지나 다수의 정공들이 반대편 N-type반도체로 넘어갈 수 있습니다.

즉, P-type반도체에서 N-type반도체로 정공을 공급해주는 공급원이라고 볼 수 있겠습니다.

이로인해 N-type반도체에서 정공의 농도는 확산에 의해 넘어온 정공농도로 인해 x_n에서 정공의 농도가 높습니다.

그리고 이동하면서 전자들과 재결합하여 농도가 줄어들고, p_n으로 농도가 수렴하게 되는 것입니다.

 

이제 N-type 반도체에 대해 생각해보겠습니다.

마찬가지로 다수캐리어인 전자가 공핍영역을 지나, 반대편 P-type반도체로 넘어가게됩니다.

P-type반도체의 영역 -x_p에서 살펴보면 다수캐리어인 전자가 넘어와 전자의 농도가 높아짐을 알 수 있습니다.

그리고 점점 확산이 진행되면서 정공과 재결합을 통해 농도가 n_p로 수렴하게 됩니다.

 

2. Reverse Bias인가 시 소수캐리어 분포

역방향 전압을 인가하게 되면, 에너지 장벽이 커지고 확산할 수 있는 캐리어들이 줄어들게 됩니다.

먼저 P-type 반도체에서 살펴보겠습니다.

P-type반도체의 소수캐리어인 전자는 열운동에 의해 확률적으로 공핍영역으로 넘어가는 전자들이 일부 발생합니다.

이 전자들은 공핍영역에 형성된 강한 Electric Field에 의해 반대편 N-type반도체로 넘어가게됩니다.

하지만 반대편 N-type반도체에서 높은 에너지장벽으로 인해 전자들이 확산되지 못하고, -x_p에서 전자농도는 낮아지게 됩니다.

이번에는 N-type 반도체에서 생각해보겠습니다.

N-type반도체 소수캐리어인 정공 역시 열운동에 의해 임의로 공핍영역으로 넘어갈 수 있습니다.

강한 Electric Field에 의해 반대방향으로 넘어가지만, 정공들의 확산은 높아진 에너지장벽때문에 넘어올 수 없습니다.

이렇게 균형이 깨지게 되고, 결국 x_n에서의 정공 농도는 낮아지게 되는 것입니다.