7강. 확산전류(Diffusion Current)

드리프트 전류에대해 알아보았으니, 이번에는 확산전류에 대해 알아보는 시간 가져보겠습니다.

먼저 확산전류에 대해 알아보기전, 확산에 대한 정의를 다시 내려보겠습니다.

 

반도체에서 확산이란?

캐리어(전자와 정공)의 무작위적인 열운동으로 인해 농도가 캐리어의 농도가 높은쪽에서 낮은 쪽으로 이동하는 현상

 

아래 그림을 통해 더 자세히 이해해보겠습니다.

균일하지 않게 도핑된 반도체를 살펴보겠습니다.

임의의 지점 x₀를 기준으로 왼쪽과 오른쪽의 전자농도가 차이가 나는것을 알 수 있습니다.

따라서 시간이 t₀부터 t₂로 순차적으로 흐름에 따라 전자들이 x₀ 오른쪽으로 이동하며 농도의 균형을 맞추고 있습니다.

그리고 한쪽으로의 이동만 이루어지는 것이 아니라, 지속적으로 위치를 교환합니다.

단지, 이동하는 경향성이 높은곳에서 낮은곳으로 이동하는 추세가 더 크기 때문에 이러한 현상이 일어납니다.

 

전류는 단위시간당 전하의 이동으로 인해 발생하는데, 이 전자의 흐름이 바로 전류를 만들어냅니다.

이것을 "확산 전류(Diffusion Current)"라고 합니다.

 

※ 확산 전류(Diffusion Current)의 표현

위 그래프에서 x=x₀일때, 특정시점 τ에서 전하량의 변화에 대한 수식을 알아보겠습니다.

여기에서 τ로 양 변을 나눠주어 전류를 구해줍니다.

위 식에서 전류와 면적에 대한 관계식을 얻었으니, 전류밀도를 구해보겠습니다.

여기서 새로운 계수 D_n이 등장하는데, 이를 확산계수라 부릅니다.

 

※ 불균일한 반도체(non-uniform Semiconductor)에 전기장(Electric field)를 인가하였을 때의 전류

즉, 캐리어의 농도가 불균일하고 전기장을 인가한 반도체는 확산전류와 드리프트전류의 합으로 나타낼 수 있습니다.