Semiconductor - Ch7-1(1) / PN junction / diffusion / Space charge region / E-field Force /
빈그레2023. 5. 8. 22:55
Basic Structure of the pn junction
Introduction
We will consider the situation in whcih p-type and n-type semiconductor are brought into contact with one another to form a pn junction. (p-type 반도체와 n-type이 결합된 것을 pn junction이라 부른다.) // Metallurigical Junction (금속적 결합)
The electrostataics of the zero-biased and reverse-biased pn junction will be considered.
(thermal equilibrium상태에서 두 가지 case) - zero biased : V = 0 ( 외부 전압이 없을 때 ) - reverse-biased : V (+,-) ( 외부 전압이 있을 때 )
Semiconductor Materials
-Doping process, adding small, contolled amounts of specific impurity, can greatly alter the electrical characteristics of the semiconductor
( 아주 소량의 불순물을 주입하는 도핑 과정을 통해 반도체의 전기적 특성이 굉장이 크게 바뀐다. )
- The doped semiconductor is called extrinsic semiconductor.
( 도핑된 반도체 -> extrinsic semiconductor )
Si는 최외각 전자 4개를 갖고있고, 원자들끼리 공유 결합을 통해 모두 연결되어 있다.
Intrinsic Semiconductor를 구성하는 Si 원자들은 Covalent bonding으로 아주 단단히 결합하고 있기 때문에 남는 hole이나 electorns이 존재하지 않는다.
따라서 doping을 통하여 추가적인 carrier를 넣어 전기전도도에 변화를 주어야한다.
외부 변화, 온도, 환경에 의해 전기 전도도를 control할 수 있게 된다.
[Doping]
- n type doping 추가적인 전자를 하나 더 갖고 있는 N-type물질을 Si 내부 격자인 Lattic structure에 주입한다. 추가적인 전자를 얻게 됨으로써 전기 전도도가 변한다. (ex. B)
- p type doping 동일하게 추가적인 hole을 하나 더 갖고 있는 P-type물질을 Si 내부 격자에 주입하여 전기전도도 변화 (ex. P)
Basic structure of the pn Junction
PN junction(1)
:일부 한 영역이 p region을 만들기 위해 acceptor impurity로 도핑되고
인접한 영역은 n region을 만들기 위해 donor atoms로 도핑되는 single-crystal material 구조
(** single-crystal : 물질 내 원자가 주기적으로 배열되어 있는 구조)
- 초기에는 electron과 hole 농도에 large density gradient가 있다.
(** gradient (구배) : 증감도, 변화도 )
- n 영역의 Majority carrier인 electrons는 diffusing에 의해 p영역으로 이동하고
p 영역의 Majority carrier인 hole은 diffusing에 의해 n영역으로 이동한다.
Simplified geometry of a pn junction
좌측 p-type부분의 p0는 Na(acceptor의 농도)와 같다. 우측 n-type부분의 n0는 Nd(donor 의 농도)와 같다.
doping profile of an ideal uniformly doped pn junction (x=0은 접합면 //Metallurigcal junction)
pn junction에서 거리에 따른 분포를 볼 때, Na 즉, p-type에서의 majority carrier이고, Nd는 n-type의 majority carrier이다. 접합면 기준으로 0이하일 때에는 Na로 doping되어있고, 0이상에서는 Nd로 doping 되어있다.
이러한 형태를 step concentration이라 한다.
//Majority carrier의 이동 p타입의 경우 hole이 좌측 높은 농도에서 우측 낮은 농도로 diffusion 이 일어나고, n타입의 경우 electorn이 고농도에서 저농도로 diffusion이 일어난다.
PN junction(2)
- 전자가 n영역으로부터 p영역으로 확산되면서 positively charged donor atoms가 남게 된다.
- hole이 p영역으로부터 n영역으로 확산될 때 negatively charged acceptor atoms가 남게 된다.
[Space charge region(=deplection region) ] //공간 전하 영역 또는 공핍영역
: majortiy carrier가 이동하게 되면서 생기는 현상으로, 전자와 정공이 diffusion됨으로써 생기는 영역을 말한다. (The net positive and negative charges in the n and p regions are refered to space charge region)
hole과 electron이 공간 전하 영역에 형성되면서 Electric fied가 형성되게 된다. (The Space charge region induce and electric field in the direction from the positive(n) to the negative(p) charge.)
이후 계속적인 diffusion이 일어나고, 평형이 될 때가지 Space charge region이 형성된다.
PN junction(3)
- Density gradients still exist in the majority carrier concentrations at each edge of the space charge region.
(Space charge regions의 끝에서 여전히 majority carrier 농도에 농도 구배가 존재한다.) >> Density Force
- The electric field (in the space charge region) produces another force on the elctrons and holes,
which is in oppsite direction to the diffusion force for each type of particle
( 전기장은 확산에 의한 힘과 반대 방향으로 전자와 전자에 또 다른 힘을 만든다. ) >> E-field force
//분산에 의한 hole의 이동은 p에서 n으로지만 space charge region(=W)에서 hole의 이동은 n에서 p방향
- Space charge region은 electric field에 의해서 생기는 힘과 diffusion에 의해서 생기는 힘이 평형을 이룰 때까지 계속 존재
- In thermal equilibrium, the diffusion force and the E-field force are exactly balanced.
(열적 평형 상태에서 확산에 의한 힘과 전기장 힘은 완전히 균형을 이룬다. )
- W(Space charge region 길이) = Xp + Xn
- Electric Field는 거리에 따른 함수이다. ( E(x) , V(x) 발생 )
- Space charge region 의 형성으로 Electric Field가 생성될 것이고, 그로 인해 전위차도 발생하게 된다.
